電池管理系統均衡控制策略研究

汪琦　吳長水

摘 ?要：針對電動汽車串聯電池在電路中的不一致性問題，對鈦酸鋰電池組不一致性的原因和均衡方法進行了詳細分析，通過對比研究主動均衡和被動均衡，并結合具體需求，設計了基于電壓的被動均衡控制策略，采用Matlab/Simulink對電池組均衡策略進行模型的搭建，并進行仿真驗證。通過實驗測試驗證均衡控制策略的有效性。

關鍵詞：電池管理系統;Matlab/Simulink;被動均衡;控制策略

中圖分類號：TP319 ? ? 文獻標識碼：A

Research on Equilibrium Control Strategy of Battery Management System

WANG Qi1， WU Changshui2

（1.Shanghai Nanhu Vocational School， Shanghai 200439， China;

2.School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Technology， Shanghai 201620， China）

610847238@qq.com; wuchangshui@sues.edu.cn

Abstract： Aiming at the inconsistency of electric vehicle series batteries in the circuit， this paper first elaborates the causes of inconsistency of the lithium titanate battery pack and the equalization method. Then， through a comparative study of active and passive equalization， a voltage-based passive equilibrium control strategy is designed based on specific needs， using the tool of Matlab / Simulink to build a model of battery equilibrium strategy. Finally， the follow-up simulation experiment verifies the effectiveness of the proposed equilibrium control strategy.

Keywords： battery management system; Matlab / Simulink; passive equalization; control strategy

1 ? 引言（Introduction）

電池單體串聯組成電池包。由于各個單體電池在生產和使用過程中不可能做到完全一致，隨著時間積累便產生差異性。于是電池均衡是電池串聯成組應用技術的核心之一[1]。其目的是通過電壓或者容量均衡的方式，使各個單體趨于一致，從而使電池包整體的最大可用容量提高。本文通過對鈦酸鋰電池組不一致性的原因和均衡方法進行了詳細分析，通過對比研究主動均衡和被動均衡，并結合具體需求，設計了基于電壓的被動均衡控制策略，采用Matlab/Simulink對電池組均衡策略進行模型的搭建，并進行仿真驗證[2]。通過實驗測試驗證均衡控制策略的有效性。

2 電池均衡方法分析（Analysis of battery equalization methods）

2.1 ? 電池的不一致性分析

由于電池不一致性對電動汽車的影響，在電池的使用過程中，保證電池組中的單體電池的穩定性和平衡性尤為重要。為了解決電池不一致性，首先要分析電池的不一致性產生的原因。根據其產生的原因制定電池均衡系統，電池均衡又分為兩類：主動均衡和被動均衡。這兩種均衡方式也被叫作非能耗均衡和能耗均衡。主動均衡是將多余的能量重新分布，具備較高的能量效率。主動均衡中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。在電路中對儲能元件進行切換，從而保證電池電壓的一致性。被動均衡的優點是電路構造相對簡單，適用領域廣，成本相對較低，并且易于實現。但被動均衡存在著明顯的缺點，電池放電均衡將會增加很多功耗，尤其當電池組中單體電池數目較多時，電池的可用電量將會大大減少，導致電池的利用率降低。

在生產過程中，即使是同一型號、同一批次的鈦酸鋰電池也會有個體的初始差異，其中電池原料的不一致性以及生產工藝等因素會造成這種差異性的存在。如圖1所示為鈦酸鋰電池的生產工藝流程圖，其生產工藝詳細步驟包括配料、卷繞、包裝以及外包裝等等環節。在每一個步驟中的每一個細微的差異經過多重步驟的疊加都會造成鈦酸鋰電池差異性變大。目前來說，由電池原材料和生產過程中所引起的不一致性，還沒有好的解決辦法，只能通過慢慢提高電池設備精度。

另一方面，即使在生產時使電池組具有較高的一致性，但由于不同使用條件下的差異，也會引起電池組的不一致性[3]。電池組在使用過程中所產生的差異會受到多種因素的影響。首先是溫度，鈦酸鋰電池的工作溫度將影響其固有特性，我們知道電池發生化學反應時會伴隨著放熱現象，從而導致工作溫度的變化。同時單體電池安放的位置以及電池組的散熱方位的不同也都會影響模組局部溫度的不一致性。這種不一致性差異將進一步影響電池組的容量以及內部化學反應的進程，從而形成一個惡性循環造成電池的不一致性繼續加大。然后是電池的過充過放，電池過度充電會造成鈦酸鋰動力電池正極物質氧化分解，從而降低電池的輸出功率;電池過度放電會使鈦酸鋰動力電池的正極金屬陽離子被還原，從而降低了動力電池的容量。以上表明，電池的過充過放都會給電池的性能壽命造成不同程度的不可修復的破壞，進而惡化電池的不一致性。

目前提高鈦酸鋰電池組一致性的方法主要分為電池分選技術和電池均衡技術。電池的分選技術主要是利用電池單體電壓、容量等重要參數為指標，將參數相近的單體電池組成一個模組，這種方法可避免工藝不一致性給電池帶來的干擾。電池均衡技術是基于完善的電池管理系統之下，在使用電池時所采取的措施，主要分為主動均衡和被動均衡兩類，下面對這兩大類均衡進行闡述并選取。

2.2 ? 主動均衡

主動均衡的原理是將能量從較高的單體電池轉移到較低的單體電池內，實現單體電池間的均衡。它的優點在于效率較高，并且產熱不顯著，下面闡述幾種常用的主動均衡方法。

（1）開關電容（電感）均衡

開關電容（電感）均衡的原理是把電容（或者電感）當作一種儲備能量的容器，將模組中能量較高的單體能量放在容器中，而能量低的單體從中取出，最終實現單體間的能量一致性。在此處以電容均衡進行講解，如圖2所示。在充放電或者電池組靜置的時候，當發現單體不一致性較大時，在控制策略中對電容開關開斷處理，使單體間能量通過電容元件再次分配，從而保證電池模組中單體電池的能量盡量趨于一致，從而改善電池組的整體性能。這種均衡方式的優勢在于均衡過程中不消耗能量。

（2）變壓器均衡

變壓器均衡法是將多個繞組變壓器串聯在模組中，如圖3所示，在變壓器均衡過程中，當檢測到壓差大于一定閥值時，均衡開啟。當電池組的電流流入變壓器的初級線圈時，其次級線圈中會立刻感應出相應的電流。如果單體電池中的電壓比較低，根據電壓比是反比于電流，則可知相應感應出的電流會較大，使用這種方式得出的均衡電流與SOC成反比。由于整流元件需要安裝在每一個次級線圈上，所以其均衡方式有其致命的缺點，即電路較為復雜，電子元件太多導致成本高昂。

2.3 ? 被動均衡

被動均衡又叫作耗能均衡，它的均衡原理是將能量較高的電池的能量通過耗能的方式釋放出來，從而改善單體電池間的一致性。其中電阻均衡法，如圖4所示。它的工作原理是，當模組中某一編號單體電池滿足均衡開啟的條件時，與之對應的開關閉合上，從而形成一個放電通路。它因結構簡單，成本低廉，而被廣泛應用于電池管理系統的均衡體系中。這種均衡方式缺點在于電池放電會產生大量能量浪費掉，以及產生熱量造成溫升。

3 ? 硬件研究分析（Hardware research and analysis）

在本項目中，所采用的硬件為MC33771芯片，通過采集電壓，溫度等物理量作為輸入。采用多節鈦酸鋰電池串聯成組的形式，實物圖如圖5所示。由上一小節可知每種均衡技術既有優點，又有缺點，經過對本課題項目的需求分析、試驗環境、成本預算以及實現的難易程度，在均衡方式上目前最常用的被動均衡方案，來對鈦酸鋰動力電池組一致性進行改善。在硬件上，這里通過在每個鈦酸鋰單體電池上并聯一個電阻，并在每個回路中添加一個模擬開關來實現的。其原理是當滿足被動均衡條件時，能量較高的電池通過電阻放電，從而降低單個電源電池的電壓，直到滿足推出均衡設置的閥值條件范圍內為止或者滿足整車的其他預設條件。下面結合具體的被動均衡控制策略進行研究[4]。首先選取均衡的變量，在此基礎之上，進行設置均衡的閥值，然后開始放電均衡，最終達到單體電池一致性得到改善，提高電池組的整體壽命。

4 電池均衡策略設計（Cell balancing strategy design）

4.1 ? 均衡變量的選取

在搭建被動均衡模型之前，首先需要選取合適的均衡指標，也就是均衡變量。只有合理選取均衡指標才能保證對具體電池組進行管理，目前廣泛被采用的均衡指標有三種分別為：SOC、剩余可用容量、開路電壓。下面對這三種方式進行闡述，并選取適合鈦酸鋰電池組的均衡變量。

（1）以SOC作為均衡變量

將鈦酸鋰單體電池的SOC作為均衡開啟的條件時，在均衡后電池組內單體電池之間的容量基本一致，在此后若進行電池模組的充放電時所有單體電池均可以達到充放電截止電壓，最大限度地保證了電池組容量得到充分利用。同時采用SOC作為指標均衡后也預示著鈦酸鋰模組中的每個單體電池都可以工作在相同的放電深度環境下，這樣有利于延緩單體電池的老化速度。

但是以SOC為均衡指標也有其局限性和缺點。首先是如果SOC的估算精度較大時，在充放電、靜置或者上電初期SOC差異較小，此時無法識別的話，到后期差異越來越大時對均衡管理的壓力就會比較大，甚至無法充分達到均衡效果。再者均衡時的電流也會對SOC估算產生影響，在當前的估算方法中還沒有將這一因素考慮進來。而較高精度的SOC算法，比如卡爾曼算法，神經網絡算法，這些算法一般計算量都很大，且需要對電池組中的每節單體電池同時進行實時估算，這就要求硬件處理器具有足夠的運算能力，才能保證這些要求，而實現這些也會造成成本隨之提高。

（2）以剩余可用容量作為均衡變量

與第一種均衡指標SOC相比較，用當前剩余可用容量作為均衡指標，從本質上也是從容量的角度上對電池組進行均衡，這樣也能避免容量較低的單體電池所造成的“木桶效應”，從而發揮出電池組的最大能力。根據前人研究表明，在電池組內如果電池老化程度區別不明顯時使用以上兩種均衡變量基本上是一致的，但是當電池組內單體電池老化程度區別較大時，即使某一時刻的每個單體電池SOC是一致的，但由于不同單體電池間的剩余電量變化速率的差異性，每進行一步長或者下一周期又會出現不一致，研究結果表明如果把剩余可用容量作為均衡變量，則后面基本上不會在產生不一致性問題[5]。用剩余可用容量作為均衡指標缺點在于需要對動力電池的容量進行實時估算，而當前對容量的估算方法大多停留在離線估算上，而且估算的精度無法保證。

（3）以電壓作為均衡變量

第三種是用電壓為均衡變量，在數據采集時，動力電池的電壓是一個可被采集到的物理量。由于電壓可以被觀測，同時開路電壓與SOC是有著某種關系的，這一點已經給出了相關測試和圖表結論。當每個動力電池開路電壓都大致相當時，也說明了此時電池組的SOC一致性也比較良好，因此在電池組處于擱置狀態時以開路電壓作為均衡變量可以在一定程度上改善電池組不一致性狀態。同時以電壓為均衡變量，其思想簡單并且實現較容易，對硬件處理器的開銷也較低。

綜合以上對三種均衡變量的分析，并結合實際，對均衡變量本文采用易于實現的電壓判據作為指標，下面對基于電壓的被動均衡策略進行分析并建模。

4.2 ? 電池均衡策略分析及建模

基于電壓的均衡在實際工程中應用較為普遍，它可以衡量電池組的不一致性[6]。當鈦酸鋰電池成組一致性良好時，則電池均衡主要考慮在使用過程中，在使用過程中，使用電壓作為均衡的判據，此時電壓會出現三種分布情況：第一種是模組中大多數單體電池電壓差極小，只有少量單體電池的電壓比較高;第二種是模組中大多數單體電池電壓差極小，只有少量單體電池的電壓比較低;第三種是模組中大多數單體電池的電壓差極小，一部分單體電池的電壓比較低，一部分單體電池的電壓比較高;但無論是哪一種情況，大多單體電池的電壓都是在均值電壓的附近徘徊。針對這種情況，在以電壓為均衡變量的策略中，在此會引入數學參數來反映出電池組單體電壓的差異。常用的數學參量有電壓的均值，極差以及方差三種，計算公式如式（1）—式（3）所示。

其中，式（1）為均值的數學表達式，它反映了電池組電壓的整體情況;式（2）為方差的數學表達式，它反映了電池組中每個單體電池與均值電壓的偏離程度;式（3）為極差的數學表達式，它反映了電池組中的最高與最低電壓的差值。這三種參量都可以衡量電池組的不一致性狀態，若以方差作為均衡的判據，雖然理論上是這三種方式中最好的，但是若要考慮到每個單體電池的實際電壓分布狀態，我們只需要考慮最大、最小電壓進行均衡操作，因此以方差作為判據本文不采用。均值電壓是目前均衡判據中最常用的方式，但是如果電池組電壓范圍最大，這種方式均衡會增加過多的能耗，因此以均值電壓作為判據本文不采用。而以極差作為判據，雖然只是比較兩節單體電池的電壓，但是此種方式能進一步的縮小整個電池組電壓的不一致性，因而本文采用以極差電壓作為判據來改善電池模組的不一致性。

被動均衡按不同的工作狀態，又可分為充電狀態時的被動均衡，放電狀態時的被動均衡以及擱置狀態時的被動均衡，在實際均衡過程中，在充放電狀態下的均衡，對于混合動力汽車來說也即是行車時，這兩種狀態下的均衡效果并不理想，且耗能比較大。因此本文此處討論靜置狀態（車處于停車狀態）時，對鈦酸鋰電池模組進行均衡。基于極差電壓的均衡策略流程為：首先識別模組的工作狀態，當整車下電，BMS處于靜置狀態（即模組既不充電也不放電）時，然后為鈦酸鋰電池模組單體按電壓大小從小到大排序并進行編號（從編號1到編號19），并找出最大、最小單體電池的電壓作差為U1，與設置的閥值電壓U2進行對比，若差值大于閥值（50 mV）且溫度低于均衡溫度閥值時，當前狀態開啟均衡。在均衡時，考慮到電池溫升問題，在本文策略中每次開啟最高的5節單體電池進行均衡，當均衡完畢后退出均衡。均衡的流程圖如圖6所示。

在單體的均衡過程中，設置三種狀態：均衡關閉、均衡開啟和均衡休眠。基于有限狀態機理論，在Simulink/Stateflow環境下搭建具體的均衡模型，首先將電壓差值與設置的進行比較，同時電池組的溫度在一定范圍內方可開啟均衡，同時采用脈沖均衡，即設置一個占空比均衡，若滿足退出均衡條件或者均衡完畢后結束均衡管理，具體實施如圖7所示。

本文為同時對最大的5節單體電池進行均衡處理，當每一步均衡后，將對應編號的電池電壓放置到對應原來位置，最終輸出每一時刻鈦酸鋰模組中每節電池的電壓，為下一步均衡判斷和均衡迭代做準備。建模如圖8所示。

設置鈦酸鋰單體電池的電壓，令其中5節單體電池電壓偏高，以均衡閥值為50 mV為例，均衡電流為90 mA，脈沖均衡的占空比為75%，開始進行均衡，均衡仿真圖如圖9所示。由圖可知，當電池組處于靜置狀態時，滿足均衡條件后，開始對相對應的單體電池進行脈沖均衡，最終達到改善單體電池間的一致性的目的，從而驗證了所搭建的均衡控制策略的邏輯準確性。

5 ? 結論（Conclusion）

本文首先對鈦酸鋰電池組不一致性的原因和均衡方法進行了詳細分析，通過對比研究主動均衡和被動均衡，并結合項目需求，設計了基于電壓的被動均衡控制策略，采用Matlab/Simulink對電池組均衡策略進行模型的搭建。通過實驗測試驗證均衡控制策略的有效性。

參考文獻（References）

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[5] 劉浩.基于EKF的電動汽車用鋰離子的電動汽車用鋰離子池SOC估算方法研究 [D].北京交通大學，2010：50.

[6] GARCIA P， FERNANDEZ L M， GARCIA C A， et al. Energy Management System ofFuel-Cell-Battery Hybrid Tramwa[J]. IEEE Transactions on IndustrialElectronics， 2010， 57（12）： 4103-4104.

作者簡介：

汪 ? 琦（1982-），男，本科，講師.研究領域：汽車技術，新能源汽車.

吳長水（1978-），男，博士，副教授.研究領域：發動機電控，新能源汽車.