充電模式下鋰離子電池組主動均衡控制方法研究

胡浪　喬俊叁

摘 要：目前電動汽車都會采用到驅動動力強勁的鋰離子電池，在充電模式下保證鋰電子電池組實現主動均衡控制，有效推進電動汽車電力系統良性發展，提升電汽車整體性能。文章中所探討的是基于雙向Buck-Boost拓撲結構的主電路主動均衡控制系統，它其中基于荷電狀態SOC建立主要均衡判據，進而實現了對主動均衡控制策略的有效改進。簡單研究了充電模式下的鋰離子電池組主動均衡控制電路設計方法，鋰離子電池組的SOC均衡控制策略，并對其設計控制方法仿真結果進行分析。

關鍵詞：鋰離子電池組 主動均衡控制 充電模式 SOC均衡控制策略

Research on Active Equalization Control Method of Li-ion Battery Pack in Charging Mode

Hu Lang，Qiao Junsan

Abstract：At present， electric vehicles use lithium-ion batteries with strong driving power. In the charging mode， the lithium-electronic battery packs are guaranteed to achieve active balance control， which effectively promotes the sound development of electric vehicle power systems and improves the overall performance of electric vehicles. The article discusses the main circuit active balance control system based on the two-way Buck-Boost topology. Among them， the main balance criterion is established based on the state of charge SOC， and the effective improvement of the active balance control strategy is realized. The design method of active balance control circuit of lithium-ion battery pack in charging mode and the SOC balance control strategy of lithium-ion battery pack are briefly studied， and the simulation results of the design control method are analyzed.

Key words：li-ion battery pack， active balance control， charging mode， SOC balance control strategy

鋰離子電池屬于絕對的無污染、清潔電壓型儲能器件，其鋰離子電池組主要用于便攜式電氣、電動汽車以及電力監控系統之中。就以新能源電動汽車為例，它主要為汽車電源系統提供整車動力。考慮到電池組中單節鋰離子電池之間是存在性能差異的，因此電池組在進行多次循環充放電后就會出現單節電池間電荷量不平衡問題。此時需要分析充電模式下的鋰離子電池組主動均衡控制技術模式，有效延長電池組的整體使用壽命，同時也降低電池組的平均使用成本。

1 鋰離子電池組主動均衡控制技術的基本思路

針對電動汽車鋰離子電池組的主動均衡控制技術應用主要需要正確選取電池組，并賦予其均衡一致性技術準則。在選取均衡一致性準則過程中，需要對其電壓進行分析，如果鋰離子電池組中電池使用循環次數過多，則需要對電池中的隔膜、電解液濃度、極板厚度等等進行分析，結合電壓判斷均衡對開關管頻信號進行分析，了解電池中能量的轉換頻率。但在該過程中，必須考慮到開關損耗的明顯增大問題，同時它也會加速電池壽命退化，當電池的荷電狀態（SOC）處于相對較低水平時，即電池剩余容量與電池額定容量比值較低，此時就能客觀反映出電池組的不一致性。此時需要基于卡爾曼濾波算法對狀態空間中的鋰離子電池狀態進行分析，為其設計均衡管理系統，改善均衡控制策略。在構建簡單高效的鋰離子電池組過程中，要追求構建其主動均衡機制，它其中針對電感式均衡電路結構進行分析，確保單節電池SOC電池組均衡一致性準則發揮到位。另外，針對鋰離子電池等效電路模型進行分析，深度辨識、更新其參數內容，確保鋰離子電池SOC主動均衡控制策略實施到位，最終開發出一套鋰離子電池組能量均衡管理系統測試平臺[1]。

在充電模式下，構建鋰離子電池組的均衡充電電路模式可追求建立重要的電池特征參數評價體系，均衡電池組變量。首先，需要要分析控制均衡電路，它是具有實時判據性與高精度性的，這些數據屬性都能用來表示電池的不一致性狀態。與此同時，也需要分析均衡變量變化背景下的均衡現象內容，了解均衡變量導致過均衡現象，了解充電均衡的不穩定狀態。總體來說，基于單體電池的放電深度需要結合荷電狀態預測方法進行分析，追求輸入輸出參數函數，對它其中的非線性、容錯性與魯棒性進行分析，最終真正總結得出預測電池的荷電狀態。從均衡充電系統分析看來，它主要基于神經網絡與SOC估算方法進行分析，確保鋰離子電池的實時荷電狀態進行快速、準確預測分析，最大限度提高鋰離子電池組的整體均衡精度與均衡效率[2]。

2 鋰離子電池組主動均衡控制電路設計與分析

（1）SOC預測分析。針對鋰離子電池主動均衡控制電路進行設計，它主要利用到了神經網絡配合卡爾曼濾波算法，針對狀態方程配合UT技術處理均值內容，建立非線性系統如下：

此時假定狀態為高斯分布隨機變量中的過程噪聲與測量噪聲進行分析，明確統計狀態，計算獲得Sigma點，此時再計算卡爾曼增益系數K，明確狀態變量與協方差。對電流時間積分進行分析，建立系統狀態方程，優化狀態預測過程。在狀態預測過程中，調整輸出測量值與比較值誤差，建立SOC狀態預測更新誤差，明確系統狀態預測過程[3]。

（2）SOC優化預測調整。在對神經網絡進行驗證過程中也要進行SOC優化預測，借此了解鋰離子電池組的充放電效果。具體來講，主要是針對鋰離子電池的充放電過程進行實驗，這里選用容量為2600mAh的鋰離子電池展開充放電實驗，在電池放電完全停止后，在經過長時間靜置后，對開路電壓SOC值進行計算，并對比實驗數據內容。其目的是為了有效減少計算量，選擇變量系統對狀態變量進行分析，建立一套SOC預測系統，明確其狀態過程。在該過程中，基于BP神經網絡估算SOC值結果，對神經網絡的估算結構誤差均方根進行分析，減小其誤差值。

在2600mAh鋰電池充放電實驗中，主要對SOC估算結果與實際測試結果進行分析，發現二者是相互吻合的，要在網絡SOC估算過程中改進神經網絡，估算動力電池SOC精度，通過改進算法對神經網絡預測SOC方法進行分析，進而獲得良好的預測效果[4]。

（3）主電路有效控制。針對不同能量傳遞方式進行分析，了解均衡充電技術并研究均衡電路，它其中包含了主動均衡與被動均衡兩種，即建立雙向Buck-Boost交換器均衡結構，明確能量損耗過程，建立基于變換器均衡結構的雙向能量轉移通道，對電池單體將的儲能電感能量進行優化。整體看來，它的電路拓撲圖相對簡單，損耗較小，適用于電池組間拓撲均衡電路。在均衡主電路采用雙向Buck-Boost拓撲電路，結合電壓大小對能量流通過程進行限制，保證雙向主動均衡達標。一般來說，其拓撲電路中的電子元件是相對廉價易得的，且它的拓展性也相對較好。對電池組若干小模塊進行分析過程中，要規避均衡時間過長這一問題，對組內電池電路實施均衡調整，保證模塊數量上層均勻電路有效增加。該小模塊作為均衡充電可作為一個單體，其模塊數量相當有限，基于此建立雙向Buck-Boost拓撲結構，如圖1[5]。

3 鋰離子電池組SOC主動均衡控制策略分析

首先要對鋰離子電池組SOC進行預估，建立單節鋰離子電池SOC在線估算機制，建立一天簡單的等效電路模型，對主要參數進行辨識并更新。在該過程中，也要分析鋰離子電池的實際工作狀態，例如分析它的外部動態特性、電動勢以及電池歐姆內阻，確保放電電流流向為正方向。如此計算可保證計算得出狀態量、觀測量與控制量，明確不同量指標中的對應關系，對電池端電壓相對應關系進行深度研究。

其次要分析鋰離子電池SOC估算算法，對SOC狀態空間模型參數進行更新調整，實現在線估算過程。SOC估算流程如下：

初始化→設置k+1時刻狀態向量→k+1時刻狀態向量估計→k+1時刻電池電壓、電流→誤差協方差>0.01，→k+1時刻SOC在線估計值→計算SOC值→結束

基于上述流程，對鋰離子電池性能測試數據與離線模型進行分析，了解參數辨識結果，對狀態空間中的模型參數值進行初始化分析，結合實際端電壓測量值對狀態量與誤差協方差實施實時更新，調整參數更新過程。

最后對SOC值偏差進行分析，了解其均衡閾值進行均衡控制，優化調整硬件控制板與PC機通信內容，對電池組充放電過程中的單節電池電壓、母線電流以及電池SOC信息進行調整，最終建立鋰離子電池組能量均衡管理系統結構[6]。

4 鋰離子電池組SOC主動均衡控制策略的仿真實驗結果分析

在鋰離子電池組SOC主動均衡控制策略過程中創建仿真實驗過程，并基于充電模式下對其仿真實驗結果進行分析，了解均衡充電原理，明確其可行性研究過程，形成均衡充電電路體系。

總體來講，主要要通過未加入均衡模塊控制系統對電池充放電過程進行調整，反復充電操作確保鋰離子電池組，了解其過負荷過程，避免鋰離子電池組中單節電池被損壞。此時，要基于仿真實驗結果結束充電過程，確保電池滿充到位。在這里，需要建立均衡模塊，優化充電過程，確保均衡模塊趨向一致性，明確荷電狀態變化過程，保證其平穩有效，有效規避充放電現象過度情況，這對保護延長鋰離子電池組使用壽命是非常有好處的[7]。

5 結語

在充電模式下，對電動機車鋰離子電池組的雙向主動均衡控制，確保電池組不一致性進行調整，保證充電安全性到位。該過程中，主要基于雙向Busk-Boost建立拓撲電路結構，優化主動均衡控制系統，然后進行Matlab仿真試驗，確保充電模式始終保證靜置模式，結合主動均衡電路確保充電時間最大限度減少，提高鋰離子電池組的主動均衡充電控制效率到位。

參考文獻：

[1]劉曉悅，杜曉.改進鋰離子電池主動均衡充電控制方法[J].電源技術，2019，43（2）：294-296，328.

[2]羅衛軍.動力鋰離子電池SOC估計及均衡技術研究[D].四川：西南科技大學，2017.

[3]李德才.電動汽車動力電池分階段主動均衡控制研究[D].重慶：重慶交通大學，2017.

[4]于躍，林聰，張恒.基于荷電狀態的鋰離子電池主動均衡控制系統的研究與實現[J].電氣技術，2019，20（8）：18-22，27.

[5]張國路.電動汽車動力電池荷電狀態估計及均衡技術研究[D].安徽：合肥工業大學，2018.

[6]陳立文.電動汽車鋰離子電池管理系統研究與設計[D].四川：電子科技大學，2013.

[7]李民英，王一博，陳宇， 等.電動汽車用雙向無損均衡的鋰離子蓄電池管理系統[Z].廣東志成冠軍集團有限公司.2016.