一種電動汽車動力電池組動態匹配均衡器的設計與實現

劉佳庚，趙美紅

（遼寧工程職業學院，遼寧，鐵嶺 112000）

一種電動汽車動力電池組動態匹配均衡器的設計與實現

劉佳庚，趙美紅

（遼寧工程職業學院，遼寧，鐵嶺 112000）

圍繞新能源汽車動力電池組充放電過程容量不均衡、電池組整體性能下降這一關鍵科學問題開展研究。在升壓斬波電路和 Cuk 均衡器的基礎上，設計出了一種可根據荷電狀態差異程度來動態調節單體電池充放電的優先匹配順序、高均衡效率的新型均衡器。試驗表明，新型均衡器有效提高了動力電池組的整體性能，對完成高效均衡具有一定的實際應用價值。

動力電池；均衡器；動態匹配；均衡控制；荷電狀態

動力電池是電動汽車的一個重要組成部分，動力電池的性能優劣對電動汽車產業的發展起到至關重要的作用。但是，由于動力電池在制作材料、過程和生產工藝上存在差異，所以即便是相同型號的電池也會存在一些差別。尤其是隨著使用時間的增加，單體電池之間的性能差異將逐漸增大[1-4]，這將造成某些單體電池過充電、過放電現象的發生。過充和過放不僅會導致電池組容量不均衡、整體性能下降，而且還影響其使用壽命，甚至還可能發生爆炸等危險[5]。電池均衡器作為能夠解決串聯電池組容量不均衡、整體性能下降等問題的一個電子控制器，是汽車電池管理系統研究的重中之重，也是推動電動汽車產業化發展的重要因素[6]。

動力電池均衡器有電阻式、電容式和電感式三種基本形式[7]。電阻式均衡器以其結構簡單、造價低廉的優勢而得到較為廣泛的應用，但電阻式均衡器屬于耗能型，它主要以消耗電能的方式來解決電池組的不均衡問題，不僅能量沒有得到充分利用，反而在均衡過程中讓能量白白流失[8-9]。非耗能型均衡器可以避免上述問題， 電容式均衡器利用電池組的高低電壓來實現均衡，均衡后使每個電池具有相同的電壓，但由于無法控制勵磁涌流，在電池電壓差異較大時會出現紋波電流流入電池[10-12]。電感式均衡器可以在電池組間電壓差較大時最大限度地分配電流，但電流只能在相鄰電池間分配而無法實現電池組間所有電池的平均分配，并且需要在每個電池上使用大量的元器件，不僅要求控制器有較高的處理能力，而且造價高[13-15]。

針對此類問題，有學者對新型的非能耗型均衡器展開了大量研究，比如靜態恒流均衡器利用單向正激變壓器實現能量傳遞[16]，還有文獻依據負載階躍變化時動力電池端電壓變化特性提出動力電池參數動態預估的單體能量均衡器，并根據參數差異實現動力電池組的能量均衡控制[17]。LC 振蕩均衡器、LLC 諧振均衡器等多種均衡器[18-20]，它們都存在一個共同的問題，即不能對動力電池組中的電池進行動態的、最優化的均衡，并且結構復雜，控制方式繁瑣。

基于此，本文在升壓斬波電路和 Cuk均衡器的基礎上，設計出了一種可根據荷電狀態差異程度來動態調節單體電池充放電的優先匹配順序、高均衡效率的新型均衡器，這種均衡器使能量傳遞更有針對性，可動態地調節均衡電路開關開斷占空比，有效提高均衡效率。

1 新型的均衡器拓撲結構

新型均衡器控制電路如圖1所示，為以n個單體電池串聯組成的電池組的均衡拓撲結構。整個系統由動力電池組、并聯開關組合模塊、檢測模塊、控制模塊、均衡模塊組成，均衡模塊由一個電感L、一個電容 C、兩個限制二極管和 4 個 MOSFET 開關管組成。由于在每次均衡電路工作時，只有兩個單體電池參與均衡工作，因此可以選用低功耗的開關管，這樣不僅可以降低能量的損耗，同時也降低了驅動功率，可以提高均衡電路的節能水平，減少電路中不必要的能量損耗。本均衡電路是通過電感L和電容C之間的不同組合來實現非能耗型的均衡，在均衡電路工作的過程中，可能會導致反向電流的產生，這種反向電流會影響到均衡電路的整體工作性能，所以為了避免該現象的發生，在Q1和連接點之間、Q3和連接點之間分別連接了兩個二極管，這兩個二極管可以阻礙均衡過程中反向電流流過。

圖1 新型均衡器控制電路

檢測模塊是由電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器以及放大驅動電路組成，控制模塊由DSP芯片最小系統組成，并聯開關模塊由并聯的 2n個高速開關管組成。

2 新型的均衡器工作原理

檢測模塊中的各個傳感器將檢測每個電池的電壓值、電流值和溫度值，傳送給控制模塊的中央處理器，中央處理器根據所檢測到的參數，通過預設程序的計算預估出各個電池的荷電狀態（SOC）情況。將 SOC 值進行排序，對 SOC 最高的電池與SOC 最低的電池進行配對，并將這兩個電池的控制信號傳送給并聯開關組合模塊，由并聯開關組合模塊對這兩個單體電池進行接通與關閉，從而對這兩個單體電池進行均衡管理。與此同時，中央處理器也將根據監測到的數據計算出 4 個 MOSFET 的占空比時間，并發出 PWM 驅動信號來對 4 個 MOSFET進行驅動開斷，從而實現兩個單體電池之間的能量轉換。由于是非能耗均衡，在均衡的過程中能量只在電池內部轉化，不存在能量的損耗與流失。待均衡結束后完成一個循環周期，再重新檢測，如此往復。

為了進一步說明本均衡器的工作原理，設 Bi、Bj為配對成功的兩個單體電池，其中 Bi為 SOC 高的電池，Bj為 SOC 較低的電池。在中央控制器的控制下，高 SOC 電池向低 SOC 電池作能量轉移，使低 SOC 電池的能量與高 SOC 電池的電壓相等或相近，最終達到整個電池組內所有單體電池能量的均衡。均衡電路簡圖如圖 2 所示，MOSFET 工作時序圖如圖3所示。

圖2 均衡電路原理圖

圖3 MOSFET 時序圖

整個均衡過程需要經過三個階段：

階段 1[0-t1]：MOSFET 開關管 Q2、Q3導通，接通 Bi，單體 Bi將電荷傳遞至電感 L 上，L 處于充能狀態。

階段 2[t1-t2]：開關管 Q2、Q4導通，由于電感特性，經過L的電流不能突變，存儲的能量沿著回路慢慢衰減。此階段中單體 Bi與電感 L 共同對電容C 充電儲能，由于是電感 L 和電池 Bi共同對電容 C進行充能，所以實現了升壓儲能。由于每個單體電池電壓的差距并不是很大，所以在均衡過程中不會產生較大的電流。

階 段 3[t2-t3]： 斷 開 Bi， 接 通 Bj， 同 時 將 開 關管 Q1、Q4導通，電容 C 對 Bj進行充電。

以上三個階段通過電感L和電容C的不同組合實現了電能在兩個單體電池之間的轉移。

3 新型的均衡器控制策略

通過借鑒現有文獻研究理論[12-21]，本研究對SOC 與電池容量損耗進行疊加并預估出新的單體電池SOC狀態值，并將該值作為確定單體電池排列順序的主要依據。若電池為新電池則容量損耗可忽略，但隨著電池使用時間的加長，電池的容量損耗將會影響電池的整體性能，所以不可忽略不計。通過排序結果計算出新的 SOC 最大值和 SOC 最小值，并進行配對處理，以確保每次均衡過程只包含一對單體電池。為了進一步闡述控制原理，假設單體電池B1的 SOC 值最大，單體電池 B2的 SOC 值最小，B1向 B2傳輸能量，假設不考慮線路、開關管損耗和誤差，則可將均衡器看成是一個理想變壓器的組合，如圖4所示。算出 Err以及相應的 k 值并逐步改善 MOSFET 的占空比。最終以確保 Err的值達到某一恒定值，來實現高質量的均衡，使兩個電池之間的SOC狀態達到同一水平后結束本次均衡，如此循環。

圖4 均衡器模型簡圖

通過對誤差Err的計算以及相應的k 值來確定開關管MOSFET 的開斷占空比，在輸入端上還引入了輸出反饋信號，將其與輸入信號疊加處理重新計算出Err以及相應的k 值并逐步改善MOSFET 的占空比。最終以確保Err的值達到某一恒定值，來實現高質量的均衡，使兩個電池之間的SOC 狀態達到同一水平后結束本次均衡，如此循環。

根據均衡控制策略，控制能量在任意兩個單體電池之間進行轉移，并且均衡拓撲結構具有升壓斬波電路的特征，能量傳遞不會因電壓差偏小而無法實現均衡。由于本均衡器是以電容為能量傳遞元件，電感加強進一步促進了電容的充電作用，提高了均衡器的均衡可靠性。

被均衡的兩個單體電池，一個單體電池放電，其放電電流連續，另一個單體電池同時被充電，其充電電流也是連續的，均衡時能量是連續傳遞的，并且均衡時有選擇地進行主動均衡，不會產生不需要均衡的電池被實施被動均衡的現象，不僅可以節約能量而且還提高了均衡效率。本方案中均衡電路的電感，開關均比傳統均衡器有所減少，而且打破了只能相鄰電池之間傳遞能量的限制，任意兩個單體電池只要狀態值差偏大，就可以配對成功，觸發均衡電路。新型的均衡電路不僅在結構上簡單，而且相應的驅動電路也減少。這樣可以在動力電池組的任何運行狀態下實現一致性管理，提高了動力電池的整體性能。

4 新型均衡器的實現與結果分析

為了證明本研究提出的電池均衡控制器的有效性，搭建了一個由串聯電池組（6 節單體電池構成)、供電電源（模擬充電器）、均衡電路板和分析儀表組成的試驗平臺。電池選用標稱容量為4.2Ah，額定電壓為 6.4 V 的動力磷酸鐵鋰電池組，電感選用 0.1 mH，電容選用 200 μF。對 SOC 差異較大的兩節單體電池實施均衡，通過分析儀將實時采集的電池在均衡過程中 SOC的變化數據發送到上位機進行存儲和分析，通過對電容與 SOC 值低的電池之間的電壓差進行分析來觀察電容對是否能夠有效地實施均衡功能。

在均衡電路工作之前，由檢測模塊首先對各個單行進行監測，將測得的參數傳送給中央控制器。中央控制器根據采集到的參數進行綜合評價，并結合電池的容量損耗預測模型預估出的容量損耗值選出最優配對的電池組，每次均衡只能選取一對最優組合。將最優配對組合的SOC差值進行運算，有反饋地調節出一個合理的開關管工作占空比。在均衡過程中，實施放電策略電池的SOC將逐漸降低，而接受充電的電池SOC會隨之升高。最后，當兩個單體電池的荷電狀態達到平衡時，完成一個循環周期。之后，繼續尋找下次均衡組合。整個過程如圖6所示。

均衡過程中，動力電池 Bi向動力電池 Bj傳遞能量，圖7為一對配對成功的兩個單體電池在均衡過程第一階段時均衡電路中電容兩端的電壓情況。試驗圖像顯示，電容 C 兩端的電壓最后維持在 10 V左右，充分證明了在均衡過程中，均衡電路有效地完成了升壓作用，加大了均衡電池的充電電壓，從而提高了被均衡電池的充電效率，使其能夠快速完成均衡過程。

圖6 控制流程圖

圖7 電容電壓曲線

圖8 電壓差值曲線

圖8 為均衡過程中階段 3 時的電容與 Bj電壓的差值情況，描述的是單體電池與電容電壓之間的差值。在試驗過程中，切換的瞬間，電容由于儲蓄了足夠的電壓，而相對有較低電壓的 Bj則會接受來自電容的電壓而使兩者之間的電壓差越來越小。

從圖中不難發現電容兩端的電壓全部提供給了被均衡電池，基本實現了無損耗均衡。

圖9為 6節電池組在充電均衡過程中 SOC 的變化情況。試驗結果表明，通過采用新的均衡控制策略后，各個電池之間都有順序地進行互相均衡，通過單體電池的反饋信號自動調節均衡器的工作效率，有效降低了單體電池之間的電壓差異，從而達到很好的均衡效果。單體電池的SOC值經過均衡后基本一致，新型的均衡器有效地完成了均衡，并且彌補了其它均衡器的不足。但本方案在均衡過程中可能會導致相差不大的電池之間延遲均衡的狀態，這一問題還有待進一步研究。

圖9 均衡過程中 SOC 狀態曲線

5 結論

本文針對串聯電池組只能在相鄰兩個電池間實現能量轉移、結構復雜、均衡效率低的問題，在升壓斬波電路和 Cuk均衡器的基礎上，設計出了一種由電感L作為中間能量傳遞元件，以電容C作為電池間能量傳遞元件，可根據SOC與單體電池容量損耗來綜合預估新狀態值差異程度，從而動態調節單體電池充放電的優先匹配順序、高均衡效率的新型均衡器，并進行了試驗驗證。與現有的新型均衡器相比，本文所涉及的均衡器可動態實現電池組中任意一組電池間的能量轉移，大大提高了電池組的整體性能，有效解決了電池組容量不均衡的問題，而且設計結構簡單，易于控制，在改善電池均衡狀態、提高均衡效率、降低損耗方面有一定的實際應用價值。

（References）：

［1］IMTIAZ A M，KHAN F H.Time Shared F1yback Converter Based Regenerative Ce11 Ba1ancing Technique for Series Connected Li-Ion Battery Strings[J].IEEE Transaction on Power E1ectronics，2013，28（12）：5960-5975.

［2］LU Languang，HAN Xuebing，LI Jianqiu，et a1.A Review on the Key Issues for Lithium-Ion Battery Management in E1ectric Vehic1es[J].Journa1 of Power Sources，2013，226（3）：272-288.

［3］PARK S H，PARK K B.Sing1e-magnetic Ce11-to-Ce11 Charge Equa1ization Converter with Reduced Number of Transformer Windings[J].IEEE Transactions on Power E1ectronics，2012，27（6）：2900-2911.

［4］殷立，王順強 .BUCK-BOOST 變換器的輸出能量分析及電感電容優化設計 [J].自動化應用，2012（8）：31-33，40. YIN Li，WANG Shunqiang. Output Energy Ana1ysis and Optimization Design of Inductance and Capacitance of BUCK-BOOST Converters[J]. Automation App1ication，2012（8）：31-33，40.（in Chinese）

［5］趙美紅，劉佳庚.基于非線性模型的動力電池容量損耗的預測 [J].可再生能源，2016，34（7）：1067-1071. ZHAO Meihong，LIU Jiageng. The Prediction of Capacity Loss of Power Battery Based on Non1inear Mode1[J]. Renewab1e Energy Resources，2016，34（7）：1067-1071.（in Chinese）

［6］蔡信健，吳振興，孫樂，等.直流電壓不均衡的級聯橋多電平變頻器載波移相調制策略的設計 [J].電工技術學報，2016，31（1）：119-127. CAI Xinjian，WU Zhenxing，SUN Yue，et a1. Design for Phase-shifted Carrier Pu1se Width Modu1ation of Cascaded H-bridge Mu1ti-1eve1 Inverters with Non-equa1 DC Vo1tages [J].Transactions of China E1ectrotechnica1 Society，2016，31（1）：1 19-127.（in Chinese）

［7］何英杰，付亞斌，段文巖 .一種星接 H 橋級聯型 SVG 直流側電壓均衡控制方法研究 [J].電工技術學報，2016，31（11）：13-21. HE Yingjie，FU Ya Bin，DUAN Wenyan. Research on DC Vo1tage Ba1ancing Contro1 Method of Star Connection Cascaded H Bridge Static Var Generator[J]. Transactions of China E1ectrotechnica1 Society，2016，31（11）：13-21.（in Chinese）

［8］孫金磊，逯仁貴，魏國，等 .串聯電池組雙向全橋 SOC均衡控制系統設計 [J].電機與控制學報，2015，19（3）：76-81. SUN Jin1ei，LU Rengui，WEI Guo，et a1. Bidirectiona1 Fu11-Bridge Converter Based SOC Equa1ization System Design for Series-Connected Battery String[J]. E1ectric Machines and Contro1，2015，19（3）：76-81.（in Chinese）

［9］周寶林，周全 .轉移式電池均衡技術研究與應用 [J].電池工業，19（5/6）：280-284. ZHOU Bao1in，ZHOU Quan.Research and App1ication of the Transfering Battery Equa1ization Techno1ogy[J]. Chinese Battery Industry，2014，19（5/6）：280-284.（in Chinese）

［10］劉紅銳，張昭懷.鋰離子電池組充放電均衡器及均衡策略 [J].電工技術學報，2015，3（8）：186-192. LIU Hongrui，ZHANG Zhaohuai. The Equa1izer of Charging and Discharging and the Ba1ancing Strategies for Lithium-Ion Battery Pack[J]. Transactions of China E1ectrotechnica1 Society，2015，3（8）：186-192.（in Chinese）

［11］桑丙玉，陶以彬，鄭高，等.超級電容-蓄電池混合儲能拓撲結構和控制策略研究 [J].電力系統保護與控制，2014，42（2）：1-6. SANG Bingyu，TAO Yibin，ZHENG Gao，et a1. Research on Topo1ogy and Contro1 Strategy of the Super-Capacitor and Battery Hybrid Energy Storage[J]. Power System Protection and Contro1，2014，42（2）：1-6.（in Chinese）

［12］孫金磊，逯仁貴，魏國，等.一種電動汽車串聯電池組主動均衡器的設計和實現 [J].電機與控制學報，2013，17（10）：33-38. SUN Jin1ei，LU Rengui，WEI Guo，et a1. Design and Rea1ization of Active Equa1izer for Lithium Battery String[J]. E1ectric Machines and Contro1，2013，17（10）：33-38.（in Chinese）

［13］趙奕凡，杜常清，顏伏伍.動力電池組能量均衡管理控制策略 [J].電機與控制學報，2013，17（10）：109-114. ZHAO Yifan，DU Changqing，YAN Fuwu. Energy Equa1ization Contro1 Scheme of Power Battery Pack[J]. E1ectric Machines and Contro1，2013，17（10）：109-114.（in Chinese）

［14］艾洪克，吳俊勇，田明杰，等.組合級聯式大容量儲能系統兩級 SOC 自均衡策略研究 [J].電力系統保護與控制，2014，42（22）：75-80. AI Hongke，WU Junyong，TIAN Mingjie，et a1. Research on Two-Stage SOC Se1f-Ba1ancing Contro1 Strategy in Hybrid Cascade Energy Storage System[J]. Power System Protection and Contro1，2014，42（22）：75-80.（in Chinese）

［15］VADIEE A，MARTIN V.Energy Management Strategies for Commercia1 Greenhouses[J].App1ied Energy，2014，114（2）：880-888.

［16］NEFFATI A，GUEMRI M，CAUX S，et a1.Energy Management Strategies for Mu1ti Source Systems[J].E1ectric Power Systems Research，2013，102（9）：42-49.

［17］謝濤，曹軍威，高田，等.基于滑動最小二乘算法和電池荷電狀態的儲能系統平滑控制策略 [J].電力系統保護與控制，2015，43（5）：1-7. XIE Tao，CAO Junwei，GAO Tian，et a1. An Energy Storage System Smoothing Contro1 Strategy Based on S1iding Least Square A1gorithm and Battery SOC[J]. Power System Protection and Contro1，2015，43（5）：1-7.（in Chinese）

［18］王麗君，李萌 . 電動汽車用鎳氫電池剩余電量估計方法研究 [J].現代電子技術，2015，38（13）：149-151，155. WANG Lijun，LI Meng. Research on State of Charge Estimation Method with Ni-MH Battery for E1ectric Vehic1e [J]. Modern E1ectronic Techno1ogy，2015，38（13）：149-151，155.（in Chinese）

［19］艾洪克，吳俊勇，郝亮亮，等.級聯式儲能系統中電池自均衡控制策略研究 [J].電工技術學報，2015，30（14）：442-449. AI Hongke，WU Junyong，HAO Liang1iang，et a1. Research on Battery Se1f-Ba1ancing Contro1 Strategy in Cascade Energy Storage System[J]. Transactions of China E1ectrotechnica1 Society，2015，30（14）：442-449.（in Chinese）

［20］何亮 .鋰離子動力電池的智能均衡控制策略研究 [J].汽車實用技術，2013，10（9）：8-11. HE Liang. Research of an Inte11igent Equa1ization Contro1 Strategy of Li-Ion Traction Battery[J]. Automobi1e Techno1ogy，2013，10（9）：8-11.（in Chinese）

［21］田立勇，張東宇，卜新良，等.基于磁化能量的鋰電池串模塊化均衡方法 [J].電源技術，2016，40（9）：1874-1877. TIAN Liyong，ZHANG Dongyu，BU Xin1iang，et a1. Modu1arized Equa1ization Method of Lithium-Ion Battery String Based on Magnetizing Energy[J]. Chinese Journa1 of Power Sources，2016，40（9）：1874-1877.

作者介紹

責任作者：劉佳庚（1987-），男，遼寧鐵嶺人。碩士，講師，主要從事電力電子與電力傳動研究。

Te1：024-72230117

E-mai1：15241000023@163.com

Design and Implementation of Dynamic Matching Equalizer for Electric Vehicle Power Battery Packs

LIU Jiageng，ZHAO Meihong
（Liaoning Engineering Vocational College，Tieling 112000，Liaoning，China）

This paper focuses on the scientific issues that for new energy vehicles the battery capacity is not balanced during the charging and discharging processes and that the overall performance of the battery pack goes down. The proposed improvement is based on a boost chopper circuit and the Cuk equalizer and a new equalizer with high efficiency of equalization was designed which can dynamically adjust the priority order of the charge and discharge of a single cell according to the charge state difference. The experimental results show that the improved equalizer can effectively increase the overall performance of the power battery and has a certain practical value in achieving efficient equilibrium.

power battery；equalizer；dynamic matching；balance control；SOC

TM911

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.05

趙美紅（1984-），女（滿族），遼寧大連人。博士研究生，講師，主要從事汽車技術服務與營銷研究。

2017-01-03 改稿日期：2017-02-27

遼寧省教育廳科學研究一般項目（L2014589）

參考文獻引用格式：

劉佳庚，趙美紅 . 一種電動汽車動力電池組動態匹配均衡器的設計與實現［J］.汽車工程學報，2017，7(3)：188-195.

LIU Jiageng，ZHAO Meihong. Design and Imp1ementation of Dynamic Matching Equa1izer for E1ectric Vehic1e Power Battery Packs［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：188-195.（in Chinese）

Te1：024-72230056

E-mai1：zhaomeihong329@163.com