基于双向反激直流变换器的锂离子电池均衡系统仿真研究

分类号：密级：论文编号：学号：52170401123重庆理工大学硕士学位论文锂离子电池组的双向主动均衡研究研究生:李琛指导教师：罗勇副教授斯红路教授级高工学位类型：专业学位专业学位类别：工程硕士（车辆工程领域）研究方向：新能源汽车培养单位：车辆工程学院论文完成时间：2020年3月25日论文答辩日期：2020年6月8日Category Number:Level of Secrecy:Serial Number:Student Number:52170401123 Master's Dissertation of Chongqing University of TechnologyResearch on Bidirectional Active Equalization of Lithium-ion Battery PackPostgraduate:Li ChenSupervisor:Associate Professor Luo YongProfessorate Senior Engineer Si Hong Lu Degree Category：Professional DegreeSpecialty:Master of Engineering（Vehicle Engineering）Research Direction:New energy vehicleTraining Unit:Institute of vehicle engineeringThesis Deadline:March25,2020Oral Defense Date:June8,2020摘要摘要锂离子动力电池包是电动汽车的核心部件之一，作为动力来源的载体，它由成千上百个单体电池串联或并联组成。

串联的锂离子电池由于加工制造、装车环境和使用过程的影响，会出现容量、电压、内阻等不一致性差异，这种不均衡现象严重影响了动力电池的动力性、安全性和寿命。

2021年第40卷第3期传感器与微系统（Transducer and MicrosystemTechnologies)77D O I：10. 13873/J.1000-9787(2021)03-0077-04基于双向反激变换器的锂电池组均衡系统设计$朱恩来，李媛媛，陈少裳，滕力(上海工程技术大学电子电气工程学院，上海201620)摘要：针对电动汽车锂电池组中的电池单元在使用过程中出现不一致的问题，为提升电池的性能、寿命和安全性,以锰酸锂电池组为研究对象，设计了一种基于变压器反激原理的主动均衡系统。

系统包括均衡电路和控制策略。

均衡电路采集电池状态信号并采用双向反激变换器进行电池组与单体电池之间的能量转移以进行电池均衡。

均衡算法通过控制器执行，以均衡电路采集的电池电压信号作为均衡判断条件，以单体电池剩余容量与电池组平均容量的差值作为均衡开启条件,进行均衡控制。

测试结果表明:所设计的均衡系统误差较小，均衡效果良好,均衡速度快。

关键词：锂电池组;主动均衡;反激变换器;双向均衡中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1000-9787(2021)03-0077-04D e s i g n o f l i t l i i n m b a t t e r y p a c k e q u a l i z a t i o n s y s t e m b a s e d o nb i d i r ec t i o n a l f l y b a c k c o n v e r t e r*Z H U Enlai,LI Y u a n y u a n,C H E N S h a o t a n g,T E N G Li(School of Electronic and Electrical Engineering，Shanghai University of Engineering andTechnology，Shanghai201620，China)Abstract：Aiming at the inconsistent problems of battery cells in the lithium battery pack of electric vehicles mayhave during use,in order t o improve the performance,l i f e and safety of the battery,a lithium manganese oxidebattery pack i s taken as the research object,and an active equalization system based on transformer flybackprinciple i s designed.The system includes equalization circuit and control strateg.The equalization circuit collectsthe battery status signal and uses a bidirectional flyback converter t o perform energy transfer between the batterypack and the single cell for battery equalization.The equalization algorithm i s executed by the controller,and thebattery voltage signal collected by the equalization circuit i s used as the equalization judgment condit difference bet^veen the remaining capacity of the single battery and the average capacity of the as the equalization o n condition t o perform equalization control.The t e s t results show^that the designed equalizationsystem has less error,good balance effect and fast equalization speed.Keywords：lithium battery pack；active equalization；flyback converter；bidirectional equalization〇引言动力电池组作为纯电动汽车的动力来源得到广泛应 用[1]。

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2020年第9卷储能科学与技术《储能科学与技术》2020年第9卷主要栏目分类索引（括号中数字依次表示年-期-起始页）学术争鸣锂硫二次电池之我见……………………………………（2020-1-1）锂硫电池的实用化挑战………………………………（2020-2-593）关于动力电池梯次利用的一些思考…………………（2020-2-598）钠离子电池机遇与挑战………………………………（2020-3-757）电化学电容器正名…………………………………（2020-4-1009）热点点评锂电池百篇论文点评（2019.10.01—2019.11.30）……（2020-1-5）锂电池百篇论文点评（2019.12.1—2020.01.31）…（2020-2-603）锂电池百篇论文点评（2020.02.01—2020.03.31）…（2020-3-762）锂电池百篇论文点评（2020.04.01—2020.05.31）………………………………………………………（2020-4-1015）锂电池百篇论文点评（2020.06.01—2020.07.31）………………………………………………………（2020-5-1428）锂电池百篇论文点评（2020.08.01—2020.09.30）………………………………………………………（2020-6-1812）储能材料与器件MOFs及其衍生物作为锂离子电池电极的研究进……（2020-1-18）钾离子电池负极材料研究进展………………………（2020-1-25）燃料电池传热传质分析进展综述……………………（2020-1-40）络合剂对铁基普鲁士蓝结构及储钠性能的影响……（2020-1-57）高温热处理对三维多孔石墨烯电化学性能的影响…（2020-1-65）石墨烯导电添加剂在锂离子电池正极中的应用……（2020-1-70）实用化软包装锂硫电池电解液的研究………………（2020-1-82）高温相变蓄热电暖器的数值模拟及验证……………（2020-1-88）泡沫铁对石蜡相变储热过程的影响…………………（2020-1-94）石蜡相变材料蓄热过程的模拟研究…………………（2020-1-101）金属泡沫/石蜡复合相变材料的制备及热性能研究…（2020-1-109）非水氧化还原液流电池研究进展……………………（2020-2-617）预锂化对锂离子电池贮存寿命的影响………………（2020-2-626）凝胶聚合物电解质在固态超级电容器中的研究进展…………………………………………………………（2020-3-776）无纺布隔膜用于锂离子电池的研究进展……………（2020-3-784）水合盐热化学储热材料的研究进展…………………（2020-3-791）基于超级电容器的MnO2二元复合材料研究进展…（2020-3-797）AgF预处理稳定化锂负极及其在锂氧气电池中的应用…………………………………………………………（2020-3-807）高镍三元锂离子电池循环衰减分析及改善…………（2020-3-813）水热-炭化法制备菱角壳基硬炭及其储锂性能……（2020-3-818）高首效长寿命硅碳复合材料的制备及其电化学性能…………………………………………………………（2020-3-826）基于三维分层结构的锂离子电池电化学-热耦合仿真及极耳优化…………………………………………………………（2020-3-831）弯曲角度对扁平热管传热性能的影响………………（2020-3-840）熔盐法再生修复退役三元动力电池正极材料………（2020-3-848）泡沫铅板栅的比表面积对铅酸电池性能的影响……（2020-3-856）石墨烯在锂离子电容器中的应用研究进展………（2020-4-1030）冷冻干燥辅助合成MnO/还原氧化石墨烯复合物及其电化学性能………………………………………………………（2020-4-1044）高倍率双层碳包覆硅基复合材料的制备研究……（2020-4-1052）极耳排布对AGM铅炭电池性能的影响……………（2020-4-1060）Sm对La0.5Nd0.35-xSmxMg0.15Ni3.5合金晶体结构和储氢性能的影响………………………………………………（2020-4-1066）储释冷循环对岩石材料性能的影响………………（2020-4-1074）矩形单元蓄热特性及结构优化……………………（2020-4-1082）低熔点四元硝酸盐圆管内受迫对流换热特性……（2020-4-1091）泡沫铁/石蜡复合相变储能材料放热过程及其热量传递规律………………………………………………………（2020-4-1098）纳米增强型复合相变材料的传热特性………………（2020-4-1105）铌元素在锂离子电池中的应用……………………（2020-5-1443）有机物衍生的锂硫电池正极材料研究进展………（2020-5-1454）赝电容特性的三维SnS2/碳复合材料的制备及其储锂性能………………………………………………………（2020-5-1467）NASICON结构Li1+xAlxTi2−x(PO4)3（0≤x≤0.5）固体电解质研究进展………………………………………………（2020-5-1472）锂离子电池极片层数对热积累效应的影响………（2020-5-1489）锌空气电池非贵金属双功能阴极催化剂研究进展………………………………………………………（2020-5-1497）液晶电解质在锂离子电池中的应用进展…………（2020-6-1595）基于溶解沉积机制锂硫电池的研究进展简评……（2020-6-1606）锂离子电池硅基负极比容量提升的研究进展……（2020-6-1614）锂金属电池电解液组分调控的研究进展…………（2020-6-1629）废旧锂离子电池有机酸湿法冶金回收技术研究进展………………………………………………………（2020-6-1641）纳米二氧化硅改性PV 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Co0.10Mn0.05O2正极材料性能的影响……………………………………………（2020-2-409）固体氧化物燃料电池高催化活性阴极材料SrFeFxO3-x-δ…………………………………………………………（2020-2-415）压缩空气储能系统膨胀机调节级配气特性数值研究…………………………………………………………（2020-2-425）低熔点混合硝酸熔盐的制备及性能分析……………（2020-2-435）原位合成纳米ZnO对太阳盐比热容的影响…………（2020-2-440）高能量密度锂电池开发策略…………………………（2020-2-448）锂离子固体电解质研究中的电化学测试方法………（2020-2-479）基于硫化物固体电解质全固态锂电池界面特性研究进展…………………………………………………………（2020-2-501）钠离子电池：从基础研究到工程化探索……………（2020-2-515）固态电解质锂镧锆氧（LLZO）的研究进展………（2020-2-523）三元NCM锂离子电池高电压电解质的研究进展…（2020-2-538）双离子电池研究进展…………………………………（2020-2-551）锂离子电池纳米硅碳负极材料研究进展……………（2020-2-569）高安全性锂电池电解液研究与应用…………………（2020-2-583）未来科学城储能技术专刊锂离子电池全生命周期内评估参数及评估方法综述…………………………………………………………（2020-3-657）电池储能技术研究进展及展望………………………（2020-3-670）燃料电池车载储氢瓶结构对加氢温升的影响………（2020-3-679）燃料电池系统氢气利用率的试验研究………………（2020-3-684）可再生能源电解制氢成本分析………………………（2020-3-688）基于国产三型瓶的氢气加注技术开发………………（2020-3-696）35MPa/70MPa加氢机加注性能综合评价研究……（2020-3-702）碳布电极材料对全钒液流电池性能的影响…………（2020-3-707）全钒液流电池碳纤维纸电极的表面改性……………（2020-3-714）潮汐式地热能储能供热调峰系统效益分析…………（2020-3-720）陆上风场液流电池储能经济性分析…………………（2020-3-725）钢铁行业中低温烟气余热相变储热装置特性分析…（2020-3-730）基于价值流分析的微网储能系统建模与控制方法…（2020-3-735）水溶性沥青基多孔炭的电性能………………………（2020-3-743）铁-铬液流电池250kW/1.5MW·h示范电站建设案例分析…………………………………………………………（2020-3-751）储能专利基于专利的无机固态锂电池电解质技术发展研究………………………………………………………（2020-3-1001）高比特性高压锂离子电池组技术专利分析………（2020-4-1214）储能教育储能科学与技术专业本科生培养计划的建议……（2020-4-1220）钠离子电池技术专刊钠离子电池标准制定的必要性……………………（2020-5-1225）非水系钠离子电池的电解质研究进展……………（2020-5-1234）钠离子无机固体电解质研究进展…………………（2020-5-1251）钠离子硫化物固态电解质研究进展………………（2020-5-1266）NASICON结构钠离子固体电解质及固态钠电池应用研究进展………………………………………………………（2020-5-1284）钠离子电池聚合物电解质研究进展………………（2020-5-1300）钠离子电池电解质安全性：改善策略与研究进展………………………………………………………（2020-5-1309）钠离子电池金属氧/硫/硒化物负极材料研究进展…（2020-5-1318）钠离子电池层状氧化物正极：层间滑移，相变与性能………………………………………………………（2020-5-1327）钠离子电池层状正极材料研究进展………………（2020-5-1340）钠离子电池钒基聚阴离子型正极材料的发展现状与应用挑战………………………………………………………（2020-5-1350）基于无机钠离子导体的固态钠电池研究进展……（2020-5-1370）过渡金属氧化物微纳阵列在钠离子电池中的研究进展………………………………………………………（2020-5-1383）钠离子电池层状氧化物正极材料的表面修饰研究………………………………………………………（2020-5-1396）以废旧锰酸锂正极为原料制备Li0.25Na0.6MnO2钠离子电池正极材料的研究…………………………………………（2020-5-1402）钠离子电池正极材料VOPO4·2H2O纳米片的合成与电化学性能…………………………………………………（2020-5-1410）钠离子电池层状过渡金属氧化物中阴离子氧的氧化还原反应活性调控………………………………………………（2020-5-1416）产经动态普星聚能继续深耕储能市场：植根长三角，放眼全世界………………………………………………………（2020-5-1593）MMII。

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910255830.1(22)申请日 2019.04.01(71)申请人 天津工业大学地址 300387 天津市西青区宾水西道399号(72)发明人 熊慧　宋大威　刘近贞　(51)Int.Cl.H02J 7/00(2006.01)H02M 3/335(2006.01)B60L 58/22(2019.01)(54)发明名称一种基于反激式变压器的电池双向均衡电路及其控制方法(57)摘要本发明提出了一种基于反激式变压器的电池组双向均衡结构及其实现的方法，本发明应用于电池组均衡系统领域。

均衡结构由三部分组成：能量转换存储单元、开关控制阵列部分、微控制器部分。

微控制器循环检测电池组中低电量的电池单体，将电池组整体作为能量输入部分，促使能量转移至低电量的电池单体。

本发明能够同时针对电池组中两个电池单体进行能量补充均衡，另一种工作模式为两个单体通过正激方式直接相连并行补充均衡。

本发明采用两种工作模式(反激工作模式和正激工作模式)相结合的控制方式进行快速均衡，均衡拓扑结构简单，且体积较小，均衡速度快，适用于大规模电池组均衡系统。

权利要求书1页 说明书5页 附图6页CN 109980729 A 2019.07.05C N 109980729A权　利　要　求　书1/1页CN 109980729 A1.一种基于反激式变压器的电池双向均衡电路及其控制方法，本发明所包含的均衡拓扑结构分为三部分：基于反激变压器的能量转换电路、开关控制切换电路以及微型处理器控制单元。

具体包括：N个电池单体、2N个开关控制单元、双绕组输出的反激变压器、开关管驱动控制单元以及微型控制处理器，每个电池单体分别连接一个控制开关。

DC-DC能量转换电路包括：反激式变压器、RCD吸收电路、MOSFECT开关管驱动电路以及输入输出电容C in和C out。

基于双向DC-DC变换器的锂电池组充电均衡策略温春雪;臧振;霍振国;李正熙【摘要】分析了双向DC-DC变换器给磷酸铁铿蓄电池充放电的工作原理及控制策略,并进行了仿真与实验验证.针对蓄电池在充电过程中出现的不均衡现象,分别介绍了非耗散电感均衡和单端反激变换器均衡的方法,并进行了仿真对比,结果表明了反激均衡比电感均衡速度更快且效果更好,从而能更有效提高蓄电池的安全性及使用寿命.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2016(040)012【总页数】4页(P2424-2427)【关键词】磷酸铁锂;双向DC-DC变换器;均衡电路;反激变换器【作者】温春雪;臧振;霍振国;李正熙【作者单位】北方工业大学北京市电力电子与电气传动工程研究中心,北京100144;北方工业大学北京市电力电子与电气传动工程研究中心,北京100144;北方工业大学北京市电力电子与电气传动工程研究中心,北京100144;北方工业大学北京市电力电子与电气传动工程研究中心,北京100144【正文语种】中文【中图分类】TM912目前利用太阳能和风能的互补特性而建立起风光互补发电系统，这种系统中大多采用蓄电池作为储能元件。

目前常使用的是磷酸铁锂蓄电池，这种电池在效率、循环寿命、成本且对环境无污染等方面有均衡优势，除了在电动车和大规模化学储能领域外，在风光互补发电新能源领域也必将有更广阔的应用[1]。

蓄电池的充放电控制技术的优劣一方面影响到整个系统的性能，另一方面关系到其使用寿命。

本文将非隔离型双向buck/boost电路应用到磷酸铁锂电池充放电过程中[2]，采用电压电流双闭环控制策略，实现对电池的恒流恒压充电及恒流稳压放电，并进行了仿真验证，接着在蓄电池管理实验平台上分别进行了充电与放电实验。

由于蓄电池单体的电压和容量较低，一般在系统中需要将大量蓄电池单体串联成组使用，由于制造工艺、工作条件等因素不同[3]，磷酸铁锂蓄电池组在使用过程中，每个单体的电量会出现彼此不均衡的现象，这将严重影响到电池组的工作效率及使用寿命，因此在蓄电池组间采取均衡措施是非常必要的。

基于反激式变换器的锂电池组均衡系统设计罗卫军;朱玉玉;武丽【摘要】针对大容量锂电池组在电动汽车中的应用,提出并设计了一种基于反激式变换器的锂电池组均衡系统.通过微控制器和驱动电路控制双向同步反激式变换器实现电池能量的双向转移,配合相应的均衡策略,进而实现电池组的双向均衡.采用12路串联锰酸锂电池组进行实验,实验数据表明该系统工作稳定,使用灵活,均衡效率高,均衡电流大.【期刊名称】《电源技术》【年(卷),期】2016(040)008【总页数】4页(P1594-1596,1736)【关键词】锂电池组;双向均衡;反激式变换器;电池管理系统【作者】罗卫军;朱玉玉;武丽【作者单位】西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院,四川绵阳621010【正文语种】中文【中图分类】TM912近年来，随着石油能源的枯竭和世界各国对环保的重视，以纯电动汽车为代表的新能源汽车发展迅猛。

锂电池以其绿色环保，高比能量、高比功率等优点，广泛应用于电动汽车[1-3]。

在实际应用时，通常需要上百个单体电池串联使用以获得数百伏的电压。

锂电池在制造时由于工艺、原料等因素会存在一定的不一致性，同时受电池工作环境的影响，单体电压的不一致性会随着使用时间不断加大[4]。

锂离子电池对过充电，过放电比较敏感，过充电和过放电很容易造成电池的损坏，因此当电池组中有一块电池电压达到最高充电电压时，就不能对整个电池组充电。

同样，当电池组中有一块电池电压达到最低放电电压时，就不能对整个电池组放电，从而导致电池组的可用容量大大减小，即“木桶效应”[5-6]。

均衡控制系统可以有效减小电池组的不一致性，这对于电动汽车有十分重要的意义：不仅可以显著提高电池组的使用寿命，还可以充分利用电池的储能能力，进而提升续航里程。

目前的均衡方法按照能量转移情况，可分为能量耗散型和能量转移型。

能量耗散型均衡方案最常用方式是电阻耗散结构，如图1所示。