電池系統(tǒng)均衡技術(shù)研究

陳 濤

（安徽貴博新能科技有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池，以鋰離子為代表的動(dòng)力電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電低以及對(duì)環(huán)境友好等特征，得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。常用的鋰離子電池包括磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈦酸鋰電池以及鈷酸鋰電池等。然而，電池單體容量小，負(fù)載能力低，無(wú)法滿足實(shí)際的工程需求。為此，人們多通過(guò)一定的連接方式將電池單體組成模組[1-3]，以提高電池系統(tǒng)的電壓平臺(tái)和存儲(chǔ)能量。但是，電池在生產(chǎn)過(guò)程中由于生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)環(huán)境的控制不一致，有可能造成電池性能的一致性差異，且這種一致性差異在使用過(guò)程中會(huì)逐漸加速，如果不能及時(shí)有效地得到控制，將會(huì)嚴(yán)重影響電池的壽命和安全等性能。

為了緩解電池不一致性問(wèn)題，人們通常采用均衡技術(shù)優(yōu)化電池一致性[4-6]。主動(dòng)均衡常用的硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有DC/DC變換器、變壓器以及外接超級(jí)電容/電感等方式[8-9]，實(shí)現(xiàn)了不同電池單體間的能量轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移的具體形式包括將電池組中能量較高的電池單體通過(guò)能量傳輸裝置轉(zhuǎn)移到能量較低的電池單體、對(duì)能量較高的電池單體進(jìn)行放電，從而減小電池單體間能量不一致性差異。被動(dòng)均衡則是采用耗散型電子元件，將電池單體中多余的能量以電子元件發(fā)熱的形式損耗掉，以此實(shí)現(xiàn)電池單體間的均衡[10]。

為了提高電池的使用壽命，本文研究了主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種均衡方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池模組的快速均衡。均衡控制策略采用電壓最優(yōu)和電池荷電狀態(tài)（SOC）為最優(yōu)兩種方式進(jìn)行分析。

1 均衡方案

1.1 被動(dòng)均衡

被動(dòng)均衡即一種通過(guò)耗散型元器件將電池模組中電量較多單體的多余能量以熱能形式耗散的均衡方式。均衡方式采樣的能量耗散型元器件一般包括不可控耗散元件和可控耗散型元件。不可控元件通常采用功率電阻并聯(lián)到需要均衡的電池單體兩側(cè)。可控型被動(dòng)均衡是采用可控型功率器件實(shí)現(xiàn)均衡參數(shù)的控制。對(duì)于安全性要求較高的電動(dòng)汽車，通常采用該均衡控制方式。但是，被動(dòng)均衡會(huì)損耗電池能量，降低電池能量使用效率。

圖1是一種被動(dòng)均衡控制拓?fù)洌β孰娮枧c可控開(kāi)關(guān)相連，并聯(lián)到需要均衡的電池兩側(cè)，從而實(shí)現(xiàn)電池均衡（其中R為均衡電阻，S為可控開(kāi)關(guān)）。在均衡過(guò)程中，通過(guò)控制可控開(kāi)關(guān)的閉合，實(shí)現(xiàn)指定電池單體的均衡。為了降低被動(dòng)均衡過(guò)程中引起的電池溫升，通常均衡電流控制在100 mA以下。均衡控制策略包括電壓最優(yōu)和SOC最優(yōu)。

圖1 被控均衡控制拓?fù)?/p>

1.1.1 壓差最優(yōu)的均衡控制策略

以壓差為最優(yōu)的被動(dòng)均衡控制策略如圖2所示。在均衡實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)電池采樣芯片（如美信MAX17823、凌特LTC681X系列）采集電池運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)電壓，并通過(guò)主控芯片計(jì)算電池模組的最高電壓Vmax和平均電池V0。當(dāng)電池的Vmax與V0的差值大于設(shè)定的閾值壓差Δ（一般設(shè)定為100 mV）時(shí)，主控芯片控制均衡可控開(kāi)關(guān)閉合。當(dāng)該值小于設(shè)定的電壓差值后，關(guān)閉均衡。該均衡控制策略簡(jiǎn)單并易于實(shí)現(xiàn)，但對(duì)于磷酸鐵鋰電池等電池平臺(tái)較為平坦的電池，在充放電平臺(tái)時(shí)電壓變化較小，使得盡管電壓平臺(tái)壓差在設(shè)定范圍，但電池的一致性仍然很差。而三元鋰電池由于電壓平臺(tái)斜率較大、電壓區(qū)分度較高，十分適用于該均衡控制策略，可以取得較好的均衡效果。

圖2 被動(dòng)均衡控制方法

1.1.2 SOC最優(yōu)的均衡控制策略

以SOC為最優(yōu)的均衡控制策略是通過(guò)建立電池的行為表達(dá)模型，采用濾波算法（如EKF算法[11]、粒子算法、無(wú)極粒子濾波算法）實(shí)現(xiàn)電池SOC的準(zhǔn)確估計(jì)。本文中采用電池的電化學(xué)組合模型并利用EKF算法，實(shí)現(xiàn)電池SOC的準(zhǔn)確估計(jì)。均衡過(guò)程中，利用主控芯片計(jì)算電池模組的最大SOC（SOCmax）和平均SOC（SOC0）以及二者的差值。當(dāng)二者差值大于設(shè)定的閾值Δ時(shí)，啟動(dòng)SOCmax對(duì)應(yīng)電池單體的均衡開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)電池均衡。該方法雖然能夠有效提高電池的一致性，但是電池SOC的實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)于CU計(jì)算能力要求較高。

圖2 SOC最優(yōu)的被動(dòng)均衡控制策略

1.2 主動(dòng)均衡

不同于被動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡采用能量轉(zhuǎn)移型元件，在均衡過(guò)程中將電池模組中能量較多的電池單體能量通過(guò)能量轉(zhuǎn)移型元件轉(zhuǎn)移到能量較低的電池單體中，實(shí)現(xiàn)模組內(nèi)的均衡。對(duì)于主動(dòng)均衡，可以實(shí)現(xiàn)模組內(nèi)10 A、模組間50 A的均衡能力。常用的均衡控制拓?fù)溆虚_(kāi)關(guān)電容、開(kāi)關(guān)電感、DCDC變換器以及變壓器等。

主動(dòng)均衡的路徑規(guī)劃策略的優(yōu)化指標(biāo)有電壓、均衡時(shí)間、SOC以及均衡能量損耗等參數(shù)。圖3是一種常用的主動(dòng)均衡反激DCDC拓?fù)?，包括電池開(kāi)關(guān)選通電路、DCDC升降壓電路和保護(hù)電路。在均衡過(guò)程中，通過(guò)主控芯片計(jì)算組成電池模組的各電池單體SOC，利用開(kāi)關(guān)選通電路，將需要均衡的電池單體連接到DCDC變換器電池單體側(cè)，電池模組連接到DCDC總壓側(cè)，通過(guò)DCDC變換器實(shí)現(xiàn)電池單體向電池模組的充電或電池模組向電池單體的充電，實(shí)現(xiàn)模組內(nèi)電池能量均衡的目的。

與被動(dòng)均衡相同，主動(dòng)均衡的控制策略也包括電壓最優(yōu)和SOC最優(yōu)兩種均衡控制方式。每種控制策略下都存在電池模組向電池單體充電或電池單體向電池模組充電的兩種能量轉(zhuǎn)移方式。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 被動(dòng)均衡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證被動(dòng)均衡的實(shí)驗(yàn)效果，試驗(yàn)中采用MAX17823前端采樣芯片采集單體的實(shí)時(shí)電壓，挑選了存在不一致性的8節(jié)電池單體做成電池模組，電池的初始電壓分別為4 010 mV、3 900 mV、3 880 mV、3 730 mV、3 650 mV、3 551 mV、3 550 mV、3 520 mV。過(guò)程中，被動(dòng)均衡的均衡電流控制在50 mA內(nèi)。實(shí)驗(yàn)中，均衡控制策略采用電壓最優(yōu)的控制策略，測(cè)試工況采用DST工況。經(jīng)過(guò)4.5 h的工作時(shí)間，電池最后的電壓為2 632 mV、2 620 mV、2 642 mV、2 651 mV、2 630 mV、2 628 mV、2 627 mV、2 640 mV。工程中電池電壓的變化如圖4所示。

2.2 主動(dòng)均衡實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證主動(dòng)均衡方案的有效性，試驗(yàn)中采用如圖3所示的主動(dòng)均衡拓?fù)?，采用MAX17823芯片采集組成電池模組的電池單體的實(shí)時(shí)電壓，使用一階RC電池模型并采用EKF算法實(shí)時(shí)計(jì)算電池的SOC。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用12個(gè)電池單體組成電池組，并以SOC為最優(yōu)的主動(dòng)均衡控制策略，通過(guò)電池模組對(duì)電池模組中SOC最低單體充電的方式進(jìn)行均衡。測(cè)試過(guò)程中電池SOC的變化曲線如圖5所示。

從圖5的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用電池組向電池模組中SOC最低的電池單體進(jìn)行充電，當(dāng)?shù)竭_(dá)均衡截止條件時(shí)所需的時(shí)間為4 700 s（試驗(yàn)中均衡電流為10 A）。當(dāng)均衡結(jié)束時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)電池的一致性得到了很大程度的改善。

圖3 主動(dòng)均衡連接拓?fù)?/p>

圖4 被動(dòng)均衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖5 主動(dòng)均衡測(cè)試結(jié)果

3 結(jié) 論

為了解決電池使用過(guò)程中由于一致性改變對(duì)電池使用效率的影響，本文分析了目前常用的均衡控制方式，給出了主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡的硬件連接拓?fù)浜途饴窂揭?guī)劃策略。最后，為了驗(yàn)證提出方法的有效性，通過(guò)兩組實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡方式對(duì)電池一致性的優(yōu)化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡都能夠有效改善電池的不一致性，但是主動(dòng)均衡相比于被動(dòng)均衡效果更優(yōu)。