動力電池組在充放電模式下的均衡控制

肖新山

（黑龍江特通電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150028）

動力電池組有單體電池按照特定的順序組合而成，受單體電池制造工藝的限制單體電池在電池容量、內阻、衰減特性方面有所偏差。動力電池組在充放電過程中單體電池間的SOC 不一致將導致單體電池在充放電過程中產生過充、欠充、過放等問題，動力電池組中單體電池在充放電過程中的不均衡將容易造成單體電池的損壞。為解決上述問題需要做好動力電池組充放電過程動態均衡控制的優化，對動力電池組進行精確化管理。

1 動力電池組SOC 均衡控制法特性

現今應用于動力電池組SOC 均衡控制的方法主要有兩大類：主動均衡控制法和被動均衡控制法。被動均衡控制法也被稱之為電阻耗能式均衡，其均衡控制的指標以單體電池的實時電壓為基準，如發現單體電池中存在較高的電池將使用電阻等耗能元件消耗其多余的電荷用以保障動力電池組中各單體電池的均衡。電阻能耗式均衡策略利用微控開關控制單體電池與電阻回路的導通, 在動力電池組電壓測量系統監測到動力電池組中單體電池的電壓不一致時, 控制微控開關導通電阻回路用以消耗掉多余的部分，此種動力電池組動態均衡策略實現容易、設計簡單，但是不足之處在于動態均衡控制過程中將會消耗掉較多的電能，且會產生較為嚴重的熱堆積，同時動力電池組的動態均衡控制效率較低。動力電池組的主動均衡策略選用的是對動力電池組中電壓較高的單體電池進行開關旁路或是利用電感、電容等作為儲能元件，將動力電池組中單體電池電壓較高的部分轉移至SOC 較低的單體電池中，實現對于動力電池組的均衡控制。完全分流式均衡控制策略采用的是在動力電池組的單體電池中加裝兩個開關對電池進行單獨控制。這一控制策略盡管控制模式較為簡單，但是存在著結構復雜、適應性差的缺陷。

本文所采用的動力電池組控制策略采用的是動態均衡控制法，此種控制法其最大的優勢在于兩種不同的均衡策略，而這兩種不同的均衡策略的提出是基于能量流向所提出的。通過對動力電池組中各單體電池的均衡加速系數進行動態的調整，實現對于動力電池組中N 組電池的單體電流和輸出電壓的調節，通動態調節和控制用以確保動力電池組中各單體電池的均衡。動態均衡控制方法最大的優勢在于使得動力電池組在充放電過程中均衡控制速率得到了極大的提高，同時減少了動力電池組中的SOC 差異，將以往存在于動力電池組中的過充、欠充以及過放問題降至了最低。從而使得動力電池組的使用效能得到了極大的提高。

2 動力電池組動態均衡控制系統結構

動力電池組動態均衡控制系統結構采用的是動力電池組中的單體電池與分布式控制器相并聯的連接方式，并將與單體電池相并聯的分布式控制器輸出端相串聯的連接形式，相串聯的輸出端將作為母線電壓產生端。整個動力電池組動態均衡控制系統采用4 組相并聯的雙向升降壓DC/DC 變換器，并依靠相關的均衡控制算法完成對于各控制器的控制。在對動力電池組動態均衡動態調節時通過調節變換器的開關管完成對于單體電池的升壓或是降壓操作。在對動力電池組動態均衡控制時，依靠電壓外環和電流內環所構成的雙閉環控制系統完成對于動力電池組動態均衡控制的精確調控。

3 動力電池組動態均衡控制算法

3.1 動力電池組中單體電池的SOC 估算

為實現對于動力電池組動態均衡控制首先需要做好動力電池組中各單體電池SOC 的估算。現有的單體電池SOC 估算法主要有安時積分法、開路電壓法等幾種。不同的單體電池SOC 估算法各有有缺點：安時積分法累積誤差較大且無法對單體電池的初始狀態進行明確的估算，內阻法的缺點在于對于單體電池內阻測算較為困難；神經網絡法結構和算法都復雜，但是其對于單體電池的SOC 估算較為準確，不利于實際應用推廣。從成本、準確度等因素進行綜合考慮后本文選用安時法作為主要的單體電池估算法。本文以18650 電池為單體電池，使用安時估算法對單體電池的SOC 進行估算，通過對單體電池在不同的不同溫度、OCV 和SOC 之間的數據進行測算，并根據所測算的86 個數據點完成上述數值函數關系的繪制，利用繪制的曲面差值完成單體電池SOC 的估算。

3.2 單體電池充、放電模式下動態均衡加速系數的計算

動力電池充電模式下動態均衡控制方法其核心在于根據所估算出的單體電池SOC 和動力電池組平均SOC 之間的差值結合動態調整均衡加速系數來計算單體電池充電調整電流。需要注意的是動力電池組中的單體充電速率與平均SOC 之間的差值呈線性關系，在計算時需要引起足夠的重視。在動力電池組放電模式下對單體電池進行動態控制時遵循的是與充電時同樣的思路，根據所單體電池的SOC 和平均SOC 之間的偏差來對均衡加速系數進行動態調整，實現對于動力電池組中單體電池輸出電壓的調控。在放電均衡控制下，單體電池的輸出電壓SOC 與控制電流呈反比，需要在計算時引起足夠的重視。

4 動力電池組在充放電模式下應用動態均衡控制實驗

4.1 實驗準備

為驗證動態均衡控制在動力電池組充放電摸下的可行性，搭建了實驗驗證臺，實驗以4 節18650 電池相并聯作為單體電池,并以6 組單體電池構成了一組動力電池組，動力電池單體電壓為3.7V, 單體電池容量為10.4Ah，在單體電池的測量上使用的是型號為XY195-9SY1 的功率計量儀,其能夠完成0-600V 區間直流電源的測定，示波器被用于顯示單體電池在充放電過程中的電壓波動，單體電池的充電采用的是直流電源。

4.2 實驗步驟

首先實驗單體電池的放電控制特性：（1）將6 組充滿電的單體電池通過控制方法放電至不同的SOC；（2）將放電完成的6 組單體電池以0.75A 的流量進行充電,充電截止電壓為4.1V。在這一過程中記錄下6 組單體電池在充放電模式下的靜態和動態均衡狀態下端電壓變化情況。通過對所記錄下的數據進行分析后發現在應用靜態控制法時，單體電池在充放電模式下各組單體電池之間的極差最大能夠達到150mV，整個均衡過程貫穿充放電全程, 截止到單體電池沖放電完成，6 組單體電池之間的極差能夠從最大的150mV 降至50mV。而在采用動態均衡控制法時，6 組電池間的極差能夠湊最大的150mV 降低至30mV，而且整個均衡時間相較于靜態均衡法減少了30%左右，使得動力電池組中單體電池之間的SOC 一致性得到了明顯的改善。在應用靜態均衡法的過程中均衡加速度系數總體為13.3 左右，且保持的較為良好，而動態均衡法則不同在整個均衡控制的過程中均衡加速系數則一直處于動態調節的狀態，且相對于靜態均衡法動態均衡控制法所耗費的時間大為減少，均衡速率大為提高。

5 結論

動力電池組是新能源車輛的動力核心，新時期隨著新能源車輛的快速發展對于動力電池組的需求量大增，為解決動力電池組在充放電模式下的SOC 不一致及均衡速率較慢的問題，本文采用了新的動態均衡控制方法，這一方法基于所估算的單體電池SOC 與動力電池組平均SOC 之間的偏差，通過對單體均衡加速系數進行動態調整完成了對于動力電池組內單體電池SOC 的動態均衡調節。相較于傳統的均衡方法，動態均衡控制法不僅極大的降低了均衡時間，且均衡后動力電池內單體電池之間的極差也降低至了30mV，從而使得單體電池之間的SOC不一致性得到了極大的改善。