1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 课题来源及目的

此课题来源于锂离子电池的实际应用需求，由于锂离子电池具有高比能量、高比功率和超长寿命等一系列的优点，实际应用中多将锂离子电池作为消费领域、电动汽车领域及储能领域的首选解决方案。但是，锂离子电池作为动力装置或储能装置还存在一些问题：

（1）安全性差。锂离子电池过充和过放容易导致电池的化学物质分解，致使电池膨胀，严重时甚至起火。

（2）相容性差。电池采用不同的正负极材料，会有不同的标称电压，而且随着使用次数的增加，电池的容量和性能也会发生不同程度的衰变。

（3）端电压低。在应用过程中，多个电池以串并联的形式构成电池组，在电池组中，各电池单体的充放电接受能力和容量衰减速率不相同，容易造成电池SOC的不均衡。

当以锂离子电池组作为电动汽车的动力装置或分布式发电系统的储能装置时，电池的 SOC不一致会减小电池的实际可用容量，增加容量的衰减速率，给系统的安全运行带来巨大的挑战，因此有必要在电池组中引入锂离子电池均衡器。

1.2 研究现状

电池均衡装置是解决电池组安全性的有效措施，为电池组配备电池均衡装置，使电池组内的单体电池保持均衡状态。当前的主要均衡方式有主动均衡型和被动均衡型。被动均衡是通过消耗能量来实现均衡，也称能耗均衡或者有损均衡；主动均衡通过电容、电感、变换器从高电压的单体电池中转移能量到低电压的单体电池中，从而实现电池组的均衡，也称非能耗均衡或者无损均衡。

被动均衡型，采用电阻等耗能元件并联在单体电池电路中，对电压过高的单体电池的电量以热量形式进行消耗，也可以对多节单体电池同时进行均衡。因为将电能转变成热量耗散，所以均衡电流是一个非常关键的因素，若均衡电流大，产生的热量则大，就需要解决散热问题；若均衡电流小，则在大容量电池组中进行均衡的效率很低，需要完成电池组均衡所需的时间较长。

每个锂电池单体上并联一个耗能电阻和通断开关。通断开关的控制由单片机系统软件进行控制，耗能电阻的选型应该建立在考虑热量消耗和均衡效率等基础上。该方式应用灵活，操作简单，成本低，但因为消耗能量产生的热量但因为耗能电阻的选型问题，一般选择于均衡充电过程中，适用于小容量电池。被动均衡将SOC较大电池的多余能量转化为热量，在该方法中电池组的效率较低，并且多余的热量还会导致电池组的热量分布不均，加剧SOC的不一致性。随着各种应用场合对电池组的要求不断提高，传统的能量耗散被动均衡方法将难以满足电池组安全性和效率性的要求。因此，大量学者和工程师开始研究主动均衡技术。

主动均衡通过电容、电感、变换器从高电压的单体电池中转移能量到低电压的单体电池中，从而实现电池组的均衡，也称非能耗均衡或者无损均衡。在2018年发表的《锂离子电池组均衡方法的研究进展》一文中，作者从控制复杂度、速度、成本、效率和体积五个方面对现有的几种主流均衡方法进行综合性评估，得出开关电容均衡是比较理想的均衡方式。

因此，本课题对基于开关电容结构的主动均衡进行研究。

在《Battery balancing methods：A comprehensive review》中，提到了两种经典的SC主动均衡方法：开关电容拓扑和单开关电容拓扑。这两种结构均是利用外部能量存储装置（电容器）在相邻电池之间穿梭能量。

在开关电容拓扑这种结构中，为了平衡n个电池，需要2n个开关和n-1个电容器。控制策略非常简单，因为只有两种状态。例如，在一种状态下，C1将与B1并联，并且C1将被充电或放电以获得与B1相同的电压。然后在此过程之后，系统将转向另一个状态。在这种状态下，C1将与B2并联。在这种状态下，会重复前一状态的行为。在此过程的循环之后，B1和B2将平衡。因此，总电池组可以平衡。开关电容器拓扑结构的优点在于它不需要智能控制，并且可以在再充电和放电操作中工作。这对于电池不具有充电结束状态的混合动力电动汽车非常重要。

而单开关电容电路是开关电容的推导。不同之处在于该方法仅使用一个电容器来传递能量。如果使用简单的控制策略，即将电容器定期切换为与每个电池并联。平衡速度仅为常规开关电容法的1 / n（n是电池数）。但是，对于这种拓扑结构，可以使用更先进的控制策略在最高和最低电压电池之间切换，这称为电池到电池的方法。平衡速度也会高得多。对于这种拓扑结构，需要n个开关和一个电容器来平衡n个单元。 对于经典开关电容均衡拓扑，在一个开关周期内，能量仅通过一个电容器从一个电池传输到其相邻电池。尤其当高压电池和低压电池位于电池串的相对两端时，需要很长时间和许多步骤来平衡电池电压。此外，平衡能量必须穿过所有电池和电容器，导致平衡效率和平衡速度的严重损失。 为了降低开关损耗，在《Zero-current switching switched-capacitor zero-voltage-gap automatic equalization system for series battery string》中提出了谐振SC均衡器。基于经典SC，添加电感器L0以形成谐振LC转换器，其通过零电流开关（ZCS）在充电状态和放电状态之间交替操作，以自动平衡电池电压。然而，该方法具有与传统SC解决方案相同的关键缺点，即长电池串的低平衡速度和效率。为了提高平衡速度，在《Double-tiered switched-capacitor battery charge equalization technique》和《A chain structure of switched capacitor for improve cell balancing speed of lithium-ion batteries》中提出了双层SC均衡器和SC平衡电路的链结构。这些方法通过使用额外的电容器和MOSFET开关，可以在一定程度上提高平衡速度。然而，平衡速度仍然很慢，并且随着串联连接的电池单元数量的增加，效率也很低。尤其是均衡器难以模块化。为了改善这些弱点，《Modeling and analysis of series-parallel switched-capacitor voltage equalizer for battery/supercapacitor strings》和《An automatic switched-capacitor cell balancing circuit for series-connected battery strings》提出了两个串并联SC均衡器。工作原理是开关电容器首先与电池单元并联连接，由电池单元充电或放电到电容器，然后，所有电容器被控制为并联连接，由此电荷可以从较高电压的电容器流出到较低电压的电容器。通过交替地操作这两种状态，能量可以直接从较高电压电池单元传递到较低电压电池单元。这意味着对于长电池串，平衡速度可以显着高于传统的平衡速度。然而，主要的缺点有开关数量是经典SC解决方案的两倍。因此，《Topology, modeling and design of switched-capacitor-based cell balancing systems and their balancing exploration》提出了一系列SC电池平衡电路。利用与传统开关相同数量的开关，该方法实现了高平衡速度，其不依赖于电池的数量和电池电压的初始失配分布。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容及目标

电动汽车中的锂离子电池由许多电池单体串并联组成，电池单体由于制作工艺差异及使用状态导致参数不一致，由此导致在使用过程中出现不一致充放电，从而影响电池的充分使用，甚至降低电池使用寿命。因此，用于均衡电池充放电的均衡电路对于锂离子电池很有必要。本研究将以开关电容电路作为均衡电路，开展锂离子电池的均衡充放电研究。了解锂离子电池均衡方法及其原理，锂离子电池的电路模型及参数对电池的影响；掌握基于开关电容的主动均衡电路原理；使用仿真软件完成整个系统的仿真验证；分析电路均衡效果及可改进方向。

2.2 拟采用的技术方案及措施

基于国内外研究现状，本文拟采用《a switched-coupling-capacitor equalizer for series-connected battery strings》中提出的自动开关耦合电容均衡器（scce），它实现了电池组中任意两个电池之间的直接和同时均衡。每个电池单元仅需要两个开关和一个电容器，因此尺寸小且成本低。所有的mosfet都是由一对互补的pwm信号控制，能量可以自动直接从任何具有较高电压的电池输送到任何具有较低电压的电池，而无需电池监控电路，从而实现高均衡效率和速度，与电池数量和初始电池电压无关。与使用用于模块之间均衡的附加组件的传统模块化均衡器相反，所提出的scce可以通过连接开关耦合电容器（scc）的公共节点来实现全局均衡，从而达到更小的尺寸，更低的成本和更高的平衡效率。该系统的控制非常简单，无论电池工作状态是充电、放电或休息，都可以进行均衡操作。

图3示出了应用于四节电池串的scce示意图和等效电路。每个电池与两个串联的mosfet并联连接。五个电容器板（四个小板和一个大板）用于形成耦合电容器以在电池之间传递能量。每个小板（p11-p14）连接到相应的两个串联mosfet的中点。大板（p10）是四个小板的共同点，从而实现了星形连接。实际上，耦合电容器也可以通过四个以星形连接的传统电容器来替代。

3. 研究计划与安排

第1周：阅读文献，并对英文文献《a switched-coupling-capacitor equalizer for series-connected battery strings》进行翻译，修改完成后提交；

第2周：撰写并完成开题报告， 开题报告内容包括目的及意义、国内外的研究现状分析、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施等，无错字、别字，格式规范修改、完善开题报告，制作开题答辩ppt，进行开题答辩；

第3周：撰写毕业设计论文目录，条理清晰，需获得指导老师认可，并与研究生学生进行交流，解决原理上的一些困惑；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 刘玉县，陈婷，四串联锂离子电池组主动均衡电路设计，2017，12.

[2] 李世泽，新型锂离子电池系统供电与均衡技术的研究，2018，01.

[3] yunlong shang, bing xia, fei lu, chenghui zhang, naxin cui, and chunting chris mi, “a switched-coupling-capacitor equalizer for series-connected battery strings”, ieee transactions on power electronics, vol. 32, no. 10, pp. 7694-7706, oct. 2017.