動力電池均衡控制技術研究進展

唐國鵬，趙光金，吳文龍

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州450052；2.河南恩湃高科集團有限公司，河南鄭州450052；3.國家電網公司電網廢棄物資源化處理技術實驗室，河南鄭州450052)

動力電池均衡控制技術研究進展

唐國鵬1,2,3，趙光金1,3*，吳文龍1,3

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南鄭州450052；2.河南恩湃高科集團有限公司，河南鄭州450052；3.國家電網公司電網廢棄物資源化處理技術實驗室，河南鄭州450052)

對動力電池組內的不一致性進行均衡是電池管理系統的重要功能。國內外技術人員對動力電池均衡控制進行了大量的研究，均衡方法主要可以分為主動式均衡和被動式均衡。介紹了各類均衡方法的功能特點，包括基于電壓和基于荷電狀態的均衡控制策略，在此基礎上討論了這些方法在應用中的優缺點，分析了當前研究有待深化的地方，對均衡的發展趨勢進行了展望。

動力電池組；電池管理系統；均衡控制

由于鋰電池的單體電池電壓較低，在使用過程中，特別是應用于電動汽車的場合中，單體電池需要幾支乃至上百支串聯成電池組方可使用。由于受單體動力電池自身的原材料、制作工藝等因素的制約，再加上動力電池組工作環境的影響，動力電池單體間出現不一致性是必然的。因此，動力電池均衡控制管理是非常重要的，不僅可以提高動力電池組的整體有效能量，還可以在一定程度上提高電池組的使用壽命。

1 均衡方法分類

目前動力電池均衡方法有很多，而且新方法層出不窮，大體上來說，現有均衡方法按照均衡原理可分為主動式均衡和被動式均衡。被動式均衡分為硬件方案和軟件方案，主動式均衡又可分為開關電容法和DC-DC變流器法。圖1總結了不同的均衡方法及其架構。

圖1 均衡方法框架圖

1.1 被動式均衡

被動式均衡，它的結構和控制策略均較為簡單，被動式均衡的原理：通過與電池單體連接的電阻，將高于其它單體的能量釋放，以達到各單體的均衡。電阻耗散式均衡是一種典型的被動式均衡。圖2是電阻耗散式均衡的電路拓撲結構。

如圖2所示，每一節單體電池并聯一個分流電阻，某節單體電池(B1)電壓高于其他電池，當其與其他電池電壓差達到某值時，開關K1導通，電池B1通過分流電阻R1放電，使B1電壓降低，如此循環往復實現電池組各單體電池間的均衡。該方案結構簡單、可靠，控制策略復雜度低，放電速度快，可多個電池單體同時放電。缺點是：均衡過程中，分流電阻消耗了動力電池組的能量，均衡效率較低，難以適應快速均衡的要求。被動式均衡已經不能代表動力電池均衡技術的主流發展方向[1-4]。

圖2 電阻耗散式均衡電路

1.2 主動式均衡

主動式均衡又稱能量轉移法，在充放電時，通過某種介質把能量從電壓較高的電池轉移給電壓較低的電池，從而實現動力電池組的均衡充放電。按照轉移介質的不同，能量轉移法可分為開關電容法和DC-DC變流器法。

1.2.1 開關電容法

開關電容法是在每兩個相鄰的單體電池之間通過開關器件與一個電容并聯，在充放電過程中，通過切換開關，控制電容器存儲釋放能量，以實現能量在電池間的轉移。

如圖3所示，通過控制開關器件驅動信號PWM的占空比實現相鄰兩個電池之間能量的傳遞。例如若蓄電池單體容量B1高于B2，G1開通G2關斷時，電容C1和電池單體B1并聯，B1將能量傳遞給C1；G1關斷G2開通時，電容C1和電池單體B2并聯，C1將能量傳遞給B2，完成這個周期內的能量傳遞。以此類推，通過控制開關器件的開通與關斷，利用電容實現能量的逐個傳遞。

圖3 開關電容法結構圖

該方法控制簡單，可實現充電和放電均衡，如果要在電池組最前端和最末端的電池間均衡則需要能量層層傳遞，均衡效率較低。

為解決串聯鋰電池組的充放電均衡問題，提高電池組的使用壽命，黃勤等人[5]在電容均衡的基礎上改進了一種雙向無損均衡方法，電池組均衡結構如圖4所示。

圖4 電池組均衡結構圖

圖4中的無損均衡模塊由小電感、能量轉移電容、二極管和電力MOSFET組成。2節電池間的能量轉移主要通過電容實現。該方案均衡效果較好，系統結構簡單，維護擴展方便，節約能源，均衡效率較高，為超大容量的串聯電池組提供了無損均衡充放電管理的解決方案。

1.2.2 DC-DC變流器法

DC-DC變流器法按照均衡電路的拓撲結構分為集中式均衡和分布式均衡，集中式均衡根據均衡器處理能量的可能流向分為單向均衡和雙向均衡。

理論上講，DC-DC變流器法沒有能量損耗，均衡速度快，是目前國內外主流的均衡方法。

(1)集中式變壓器均衡法

利用多副邊變壓器可以實現集中式均衡控制，此種均衡方法可分為單體到組、組到單體、雙向三種模式。

如圖5所示，變壓器原邊接電池組兩側，副邊每個線圈對應一節電池，各副邊線圈匝數相同。當系統檢測到低電壓電池單體的時候，電池組側的變壓器功率開關導通，原邊繞組通過電流，能量儲存在變壓器線圈中，開關斷開時，變壓器儲存的能量釋放到單體電池，電壓越低的電池單體能夠獲得的能量越多，實現整個電池組的均衡。

圖5 集中式均衡控制

這種均衡結構的優點是：均衡速度快，均衡電流大，能量損耗小。缺點是：當電池組串聯數多的時候，低壓繞組到各單體電池的導線長度和形狀不同，變比存在差異，均衡誤差較大；變換器與電池組之間的功率導線布線復雜，電子元器件多，不利于模塊化。

隨著對均衡研究的不斷深入，人們對于均衡效率、均衡速度有了更高的目標。在提高均衡效率方面，杜韋靜等人[6]在集中式變壓器均衡的基礎上，通過外接電源，實現電池組在充電基礎上的實時均衡，如圖6所示。通過控制功率開關管的通斷，可以較為精確地調整副邊電壓；保證與串聯電池數多的電池組中各電池單體并聯的各副邊得到基本一致的電壓，使能量最小的單體吸收最多的能量，達到均衡的目的，從而有效地提高均衡效率。

(2)分布式變壓器均衡法

所謂分布式變壓器均衡技術，就是電池組中串聯的每一個單體電池都有一套專門的均衡模塊且相互獨立，分別控制進行充電，每個充電回路互不影響，靈活度高，易于實現模塊化，方便電池組的擴展。該均衡技術的缺點是：需要大量的功率器件，因此控制信號多，控制電路復雜，成本高。

圖6 集中有源式均衡電路圖

分布式變壓器均衡方法有很多，基于反激變壓器的隔離式DC-DC變換器分布式均衡法是比較常用的。

基于反激變壓器的隔離式DC-DC變換器分布式均衡拓撲結構如圖7所示，其中圖(a)為單向DC-DC變換器分布式均衡拓撲結構，圖(b)為雙向DC-DC變換器分布式均衡拓撲結構，隔離結構以反激式結構最為常見。該種結構的均衡電路設計的功率變化范圍寬，同時采用高頻工作亦可使設備體積小型化，結構布局方便，適用于狹小的空間。

圖7 隔離式DC-DC變換器的分布式均衡結構

從體積、質量、成本以及工作的可靠性來看，雙向變換器具有更大的優勢，是未來的發展趨勢。但雙向變換器電路結構中需要的開關管較多，因此構建的系統結構復雜、體積龐大。

文獻[7]提出了一種三單體直接均衡電路，如圖8所示，該方法能夠實現相鄰三個串聯電池單體中的任意兩個單體間能量的雙向傳遞，非相鄰電池單體(或模塊)無需均衡時，均衡過程可實現能量跨越式地直接變換和傳遞，而無須借助于中間單體進行二次均衡，有利于縮短均衡過程的能量傳遞路徑并提高均衡效率。但是當串聯儲能系統電壓等級較低時，該結構的均衡效率比較低。

圖8 三單體直接均衡電路

文獻[8]設計了一套基于上述三單體直接均衡電路的九單體串聯系統，該系統采用樹狀分層的形式，如圖9所示，將系統分為三層，同層或是上下層模塊之間通過CAN總線進行數據通訊，該系統均衡效率高，均衡速度快，且便于模塊化設計。

圖9 單體樹狀分層圖

還有一種基于升降壓變換器的分布式均衡方法，該均衡拓撲結構如圖10所示，該方法無能量損失，可實現充電和放電情況下的均衡，同時它可適用于大功率的設計，高頻條件下工作，可大大減小設備的體積，方便在狹小的空間內進行布局；但是當串聯電池組內不均衡的電池單體出現的位置不相鄰時，能量的傳輸路徑長，均衡速度變慢，效率降低。

圖10 基于Buck-Boost變換器分布式均衡結構

2 均衡控制策略分類

均衡控制策略按照均衡的判斷準則一般可分為兩種：基于電壓的均衡和基于SOC的均衡。

2.1 基于電壓的均衡方法

基于電壓的均衡方法是指通過單體鋰電池的負載電壓差異來判斷鋰電池組的不一致性情況，據此控制電源管理系統均衡模塊的開啟和關閉。電池負載電壓測量簡便快捷，且負載電壓很大程度上可以反應電池SOC的變化，正是這個原因，大多均衡方法均將負載電壓作為均衡控制策略的判斷依據，其控制方式容易實現，對算法要求不高，缺點是用單一電壓均衡，均衡的精度和效率難以保證，尤其是對于并聯電池單體，無法應用該策略均衡。

2.2 基于SOC的均衡方法

現有的均衡方法大多數以測量簡便的負載電壓差異大小作為鋰電池組不一致性情況的主要依據，電池管理系統據此控制均衡的開關狀態。均衡的最根本目的是平衡電池間剩余電量即SOC的差異，負載電壓可以反應電池SOC的變化，但無法準確描述電池的SOC狀態，可能因此而出現過充和過放，對鋰電池造成損壞。鋰電池內部的化學材料是造成該現象的原因。鋰電池的極化效應導致當電流流過電池時，電池電壓偏離其平衡值；由于鋰電池生產過程中無法做到完全一致，且隨著鋰電池充放電循環次數的增多，電池間的極化差異逐步變大，在充放電過程中表現為負載電壓差異越來越大。在鋰電池使用后期，負載電壓往往無法準確反映電池的SOC值。

由于鋰電池極化效應等因素的影響，用負載電壓作為均衡的判斷標準已無法滿足需求，在這種情況下，研究人員提出了基于SOC的均衡方法。

由于鋰電池的容量和SOC都不是能直接測量得到的，需要通過測量電池的電壓、電流、溫度等參數計算得到，計算的準確度受計算方法、電池模型的制約，動力電池的老化、自放電、使用環境等也對計算的準確度造成影響，因此，目前基于SOC的均衡控制策略還在研究中，具體的應用案例很少。

盡管如此，還是有研究人員進行了嘗試。Jong-Hoon Kim等人[9]針對含20節單體鋰電池的鋰電池組設計了基于SOC的均衡方法，結果顯示了其優越性。Jingyu Yan等人[10]提出一種模糊控制的SOC均衡方法，均衡效果顯著。

3 結論

綜合上述的各種動力電池的均衡方法以及均衡控制策略，盡管方法很多，且每種均衡方法均有其特點，但到目前為止，沒有一個均衡方法能夠做到兼顧均衡效率、均衡速度、均衡系統的復雜程度以及均衡系統的成本。結構簡單、易于控制的電路結構不適于電池組的擴展，而靈活度高，易于實現模塊化的電路卻存在元器件數目多，結構復雜，不易于控制的問題。

為解決上述問題，開展均衡損耗小、均衡速度快、系統結構簡單、易于實現電池組擴展的均衡方法是今后的發展趨勢，這將有助于提升動力電池組的性能及使用壽命，對電動汽車的大規模推廣具有積極的意義。

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Research progress of power battery equalization

Equalization was an important function of electric vehicle battery management system, which was commonly classified into two kinds of methods as dissipative equalization and nondissipative equalization. Researchers had done much work to improve the technical accuracy,reliability,sensibility of these two equalizations. Some novel equalization methods, including voltage and state of charge based equalization methods, and the improvement of these methods were also taken out.Principles of these methods for equalization were introduced, meanwhile,the advantages and disadvantages of these methods during applications were discussed in detail.

lithium-ion battery pack;battery management system;battery equalization

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2312-04

2015-03-22

國家電網公司基金項目(1213)

唐國鵬(1986—)，男，河南省人，工學學士，主要研究方向為儲能技術。

趙光金，E-mail：gjzhao@iccas.ac.cn