電動汽車動力電池均衡控制策略

孟少華 申彩英

（遼寧工業大學）

在電動汽車中，動力電池組由單體電池串并聯組成，以保證電動汽車對電壓和容量的使用需求[1]。由于單體電池在制作過程當中存在不一致性，并且其工作環境（如各單體電池實際工作時的溫度）也不盡相同。在動力電池的使用過程中會存在不同程度的過充和過放現象，影響電池使用壽命，使動力電池存在安全隱患。在制定均衡策略時，需要對動力電池的不一致性原因進行分析，以保證均衡策略的實用性[2]21。文章在對動力電池不一致性原因及均衡技術進行分析的同時，說明了被動均衡策略的優勢和均衡策略研究對電動汽車發展的重要性。

1　不一致性分析

在由多個單體電池組成的電池組中，單體電池之間的不一致性原因主要為電池工藝和電池老化[2]23。在動力電池制作過程中，電壓、內阻、容量及自放電率等參數不能做到完全相同，這些差異在動力電池的循環使用過程中會不斷放大，影響電池使用壽命，導致電池能量利用率降低。因此需要通過對各單體電池的信息進行監測，判斷其荷電狀態（SOC），再以此為依據設定控制策略[3]。

2　均衡策略分析

電池均衡技術主要有主動均衡和被動均衡2種[4]。通過均衡策略判斷電池的不一致性，再通過均衡技術，釋放能量較高的電池能量或補充能量較低的電池能量，緩解動力電池在使用過程中的不一致性。

2.1　主動均衡

主動均衡也叫做非能耗均衡。主動均衡中能量能夠直接在單體電池間轉移，具有效率高、散熱少及能量浪費低的特點。主動均衡主要采用電容（電感）和變壓器等元件。

2.1.1電容（電感）均衡

開關電容（電感）均衡方式采用無源器件電感或電容作為儲能元件，用于單體電池之間的能量傳遞。通過切換電容開關，實現對電容的充電過程和對欠壓電池的放電過程，能量通過無源器件再次分布，從而保證電池組中單體電池的電壓趨于相同。開關電容均衡方式的特點是不消耗能量，主要是轉移能量來實現電池的均衡。電容均衡原理圖，如圖1所示[5]。

圖1　電容均衡原理圖

電感均衡電路結構，如圖2所示[6]。電路中均衡電路的開啟與關閉通過MOS1和MOS2 2個MOSFET管來控制；放電回路的放電通道由續流二極管D1和D2提供；L為均衡電路功率電感，用以轉移能量；R是L的消磁電阻，釋放均衡過程中產生的多余能量；以B1和B2模擬需要均衡的2塊單體電池。在電池組工作過程中，檢測B1和B2兩端的電壓是否滿足均衡條件。當兩者間壓差大于預設閾值電壓時，開啟均衡模式。例如：UB2＞UB1，在均衡開啟后，則整個過程依次為B2放電、B1充電、L消磁3個階段。

圖2　電感均衡原理圖

放電過程：通過軟件控制MOS1閉合，MOS1，L，B2形成放電回路，B2開始放電，部分電能存儲在L中[7]。

充電過程：通過軟件控制MOS2閉合，MOS1斷開，MOS2，L，B1形成充電回路，L則對B1進行充電。充電電流隨著充電時間的增加而減小，當L兩端電壓低于B1和MOS2的導通電壓時，充電過程結束。隨著充電過程的結束，雖然L兩端存在電壓差，但并不能達到對B1充電的要求，因此加有R以消耗L中的剩磁，保證電路參數的穩定。

2.1.2變壓器均衡

在大電流電池均衡中，通常在電池兩端使用隔離的DC/DC變換器[8]。多繞組變壓器均衡方式分為單向DC/DC均衡和雙向DC/DC均衡2種。變壓器均衡方式中每個電池兩端都有一個DC/DC變換器，而隨著電池組均衡系統的增大以及相應元器件數目的增多，多繞組變壓器DC/DC均衡就形成了。均衡過程采用能量轉移的方式：多余的能量向能量最少的電池中轉移。變壓器均衡原理圖，如圖3所示，多繞組變壓器的原邊與電池組兩端相連，副邊與單體電池相連，以采集到的單體電池電壓值控制原邊的閉合，通過能量轉移實現電池均衡[9]。

圖3　變壓器均衡原理圖

2.2　被動均衡

被動均衡又被稱為能耗均衡。被動均衡采用能耗的方式消耗掉能量高的電池中的能量。被動均衡方式采用的電路結構簡單而且易于實現。電阻放電均衡是一種常見的被動均衡方式，當電池滿足均衡調節時，開關閉合，形成放電回路[10]。這種均衡方式的優點是結構簡單和成本低，但是其缺點也是顯而易見的，電池放電會產生大量能耗及熱量，均衡效率低。其電路原理，如圖 4所示[11]。

圖4　被動均衡原理圖

3　結論

由于主動均衡系統的成本相對較高，同時電路過于復雜，而被動均衡具有實現簡單和成本低的特點，因此被動均衡依然是均衡策略的主流方式。與國外相比，目前我國對動力電池關鍵技術的研究水平依然存在較大差距。電池管理系統仍然是電動汽車發展的短板，其中電池均衡策略的研究對提高動力電池壽命和性能有著重要意義。研究出具有能量損耗小、均衡效率高的均衡策略對電池管理系統的研究起著促進作用，電動汽車的研究也將因此而有新的進展。