動力電池均衡控制變量研究

吳銳

（重慶交通大學 機電與車輛工程學院，重慶400074）

主題詞：動力電池 不一致性 均衡控制 均衡變量

0 引言

隨著電動汽車迅速發展，作為電動汽車中使用最廣泛的動力電池—鋰離子電池成為汽車領域的研究熱點，得到越來越多的關注[1]。在實際應用中，電池外電壓的不同、極化電壓變化不一致、直流內阻的大小和荷電狀態SOC（Stateof charge）不相等給電池組工作造成了很大的影響，是制約電動汽車未來發展的關鍵因素[2]。均衡控制就是將電池組的不一致程度降到最小，避免各單體電池過充過放，使電池工作更高效。在電池均衡控制研究中，研究人員對均衡控制變量的選擇各不相同，均衡變量是通過控制電路均衡后能夠達到一致的電池參數，選取的原則為可表征電池不一致性、測量方便、且具有較高的精度[3]。不同的電池參數作為均衡變量對應的均衡控制方法有所不同，最終的均衡效果也存在很大的差異[4]。在對電池的不一致性分析和各變量的討論后，提出更加合理的均衡控制策略，提高均衡效率、減小均衡系統的設計容量，為電池組的高效均衡提供理論依據和數據支持，使純電動汽車大容量電池的在線均衡成為可能。

1 不一致性分析

動力電池組的不一致性主要由初始狀態和性能衰退速度2個方面造成的[5]。在電池的生產過程中，有很多工藝流程，每一環節的微小變化累積起來都會對電池初始性能帶來很大的影響。

在使用過程中各電池的環境溫度，通風條件的不同會影響電池的散熱性能，在同一電池組中不同的溫度采集點得到的溫度差最高可達10℃，這會導致電池性能以不同的速度衰退，長期如此，電池之間不一致性將會越來越大。

電池生產、使用和儲存的不同會導致其內阻存在差異性，出現不同程度的自放電現象，從而影響放電深度，使不一致性加劇。

在電池組中，初始容量不同時，小容量并且內阻大的單體就會出現過度充放電的現象，在相同的充放電參數下，該電池的衰減將會遠遠超過組內其它單體，經過多次充放電循環，整體電池組的性能將加速衰退。

電池的初始性能和后期使用環境的不同將導致電池的充放電倍率、工作電壓、內部化學反應速度和狀態都存在差異性[6]。

電池之間的不一致性參數在實際的工作中并不是相互獨立的，各因素之間的相互耦合性，最終導致了不一致擴大的正反饋效應。

2 不一致性影響

2.1 電池容量

電池B1和B2初始容量均為100 A·h，測得B1充電效率為99.9%，B1充電效率為99.8%，兩者相差0.1%，經循環試驗后得到結果如下：

經過100次循環后：

經過200次循環后：

僅0.1%的差距，經過多次充電循環后，容量就出現了巨大的變化。在充電時，小容量電池最先充滿，從而限制了電池組的充電容量，放電時此電池電量最先放完，而電池組中其他電池的電量還未被充分利用。

2.2 輸入輸出功率

在充電過程中，電池組中SOC偏高會使充電電流下降，這使得充電時間增加，導致其他電池未充滿現象出現；放電過程中，為了防止過放電，SOC較低的電池首先放完電，這就限制了整組電池的輸出功率，明顯降低了車輛的動力性和電池組的使用效率。

2.3 電池組狀態估算

車輛在運行過程中，呈現給駕駛者的是電池組的剩余荷電狀態SOC，如果每個單體之間存在較大的容量和SOC差異時，電池組的SOC和SOE估算非常復雜，并且難以保障估算準確性，這會傳遞錯誤信息，降低駕駛安全性和體驗感。

電池的不一致性對其性能造成了很大的影響，所以需要對均衡參數分析對比并據此進行均衡，使電池組內容量、能量充分利用。

3 電池均衡

電池的均衡就是在電池組運行過程中通過傳感器采集均衡變量的信息，判斷電池狀態參數的不一致性，通過系統中的均衡策略對各單體電池進行能量均衡，對能量較高的電池進行耗能，對能量較低的電池補充能量，或者通過控制電路將高出的能量轉至能量低的電池中，使電池組整體狀態參數保持較高的一致性[7]，均衡過程如圖1所示[8]。

圖1 均衡電路結構[8]

4 均衡變量的選取

均衡變量即判斷電池組狀態是否一致的特征參數，主要有開路電壓、工作電壓、SOC和剩余可用容量、最大可用能量。通過均衡系統使變量參數不一致程度達到最小，甚至消除。

4.1 開路電壓作為均衡變量

圖2 電池電壓分布

在最開始對均衡控制的研究中，大多數都是采用基于單體電池開路電壓的均衡。吉林大學汽車仿真與控制國家重點實驗室，Zhang[9]等人利用電池之間的開路電壓的差異來衡量電池組的一致性，在分析各單體電池開路電壓范圍和分布情況后制定均衡策略。通常情況下，電池組中開路電壓呈現正態分布[10-11]，如圖2所示。

在充放電過程中以開路電壓作為均衡變量，首先計算出平均電壓，如式（1）：

再計算電壓極差，電壓極差可以反映電池組一致性情況，如式（2）。

根據電壓極差的大小確定均衡控制區間△U，如圖3所示，其中0＜△U＜r，進行高放低充，使電池組電壓趨于一致，避免了對單體電池頻繁均衡。根據計算電壓方差，如式（3）：

圖3 確定均衡控制帶

可以檢測均衡效果。電壓方差越小說明電壓分布的分散度越小，均勻度越好，均衡效果越明顯。基于開路電壓的均衡判斷過程如圖4所示。

以開路電壓作為變量的均衡控制實施起來簡單，只需要測量電池的開路電壓，確立均衡控制區間，通過判斷測得電壓與控制帶之間的關系就能完成均衡過程。電池的開路電壓易于測量，而且與電池SOC之間存在良好的對應關系[12]。當開路電壓通過均衡達到一致時，SOC也會基本保持一致，通過定義可知SOC是最能表現電池容量的參數，這就使得電池容量能夠被充分利用，避免了過充過放。當電池處于靜置狀態時，選擇開路電壓作為均衡變量能夠達到高精度的均衡結果。

圖4 均衡判斷流程

但是基于開路電壓的均衡控制存在一定的缺陷，容易受到電池本身參數和其他外部因素的影響。如B1，B2內阻不同，充電時u1＞u2，需對B2充電；放電時u1＜u2，需對B2放電。均衡對象在不斷的變化，但并沒有調整各電池狀態，沒有效果且增加了均衡系統負擔。開路電壓只能在非運行狀態下獲取，所以不能實時在線均衡，降低了均衡效率。電池開路電壓具有非常小的變化區間，通常只有幾毫伏，故對均衡采集精度要求很高。開路電壓與SOC對應的函數關系會因為電池型號和廠商的不同有所區別，如果電池組中所有單體電池不是同一類型，同一型號，則需要OCV-SOC關系重新標定，帶來的誤差將會更大。

4.2 工作電壓作為均衡變量

工作電壓即電池輸出電流時正負極的電位差。東京理科大學的Daiki Satou和Nobukazu Hosh[13]將工作電壓作為均衡變量，獲取工作電壓可以直接測量，相比較開路電壓，工作電壓具有更大的變化區間，這樣采集電路的精度要求就沒那么高，設計簡單。在電池組充放電過程中，通常是將工作電壓作為充放電截止電壓，這樣通過均衡控制，就能很好的保證不會過度充放電，并且能夠最大程度利用電池組容量。當組中電池老化程度不一致時，對于那些老化程度較大，且內阻較大的單體，用工作電壓進行均衡，可以在未完全放電的時候使電池SOC變化比其他單體小，這樣防止電池濫用，延長了使用壽命。開路電壓可以實時采集，這樣就能實現在線均衡，提高均衡效率。

工作電壓作為均衡變量的缺陷也很明顯。由于車輛運行過程中工況很復雜，所以可能瞬時高倍率放電，也有可能瞬時停止供電，這樣在電路中電流出現較大的波動，從而引起工作電壓變化起伏很大，此時均衡系統會因為電壓的波動而頻繁的開啟關閉，損耗巨大[14]。這就要求均衡系統設計更加合理化，智能化，具有較強的均衡能力。工作電壓與SOC不具備較好的一致性，當電池的SOC處于較高或者較低時，工作電壓變化很大，需要較高的均衡能力和效率；電池SOC處于中間階段時，工作電壓變化較小，需要高精度的采集系統，給均衡系統的設計帶來很大的困難。

4.3 SOC作為均衡變量

SOC即電池荷電狀態。SOC作為最接近電池容量的參數，使得均衡電路具有更高的效率。

對電池組內每一個單體進行SOC識別，計算平均SOC，以平均SOC為目標，同時確立均衡控制區間ΔSOC，在區間內不均衡，高于或低于區間的需放、充電，這樣可以提高均衡效率，充分發揮了充放電均衡優勢。

Yuang-Shung[15]和韓國全北國立大學的Novie Ayub Windarko[16]選擇SOC作為均衡變量，這樣只需識別電池的SOC，無需識別最大可用容量和所需均衡電池的位置。在充放電過程中，同時讓單體電池達到截止電壓，容量利用率高，且避免了不一致對電池組狀態識別的影響。所有的單體電池均衡過后SOC保持一致，故單體SOC就可看作整個電池組的SOC。通過均衡保持SOC保持一致，就是保證了所有電池放電狀態時相同的，放電深度一致，這樣就能避免各單體的老化速度存在差異。

基于SOC的均衡控制策略最大的問題就是如何做到高精度、高效率的實時估算[17]。精度高的估算方法效率低，需要大量的數據計算，如神經網絡法，模糊控制法等，計算量小的精度達不到要求，帶來較大的估算誤差，如安時法，開路電壓法。在開始進行充電時，SOC值比較接近，差異性較小，此時應準確識別，并進行均衡。如果到了充放電中期，SOC差異性較大，對均衡能力要求就會更高。

此外，電池老化情況不同時，SOC經過均衡達到一致后，繼續充放電，SOC的變化又會出現快慢的情況，需要再次啟動均衡系統，開啟頻繁，損耗大。

4.4 剩余可用容量作為均衡變量

電池組的剩余可用容量始終小于或者等于組內最小容量電池的剩余可用容量[18]，所以均衡目標就是使電池組的可用容量等于組內最小容量電池的剩余可用容量[19]。

與SOC作為均衡變量不同的是，SOC經過均衡后，在面對老化程度不一致的電池時，繼續充放電，又會出現不一致現象。而剩余可用容量作為均衡變量后，所有電池的容量都保持一致，不會再出現容量差異的現象，而且不會對某一電池進行過度放電，容量小的電池也不會成為電池組中的“短板”。

剩余可用容量受到各單體容量不同和容量衰減問題的影響在線估算存在較大的難度，無法做到實時在線均衡。且目前的估算方法達不到較高的精度，估算誤差會使均衡效果不好。

4.5 最大可用能量作為均衡變量

為了實現電池組存儲的能量最大化，均衡的作用就不僅僅是將容量最小的電池滿充滿放，將電池容量充分利用，而且還要將組內全部電池充滿電，將存儲的能量達到最大化[20]，如下電池容量所示[21]。

電池組最大充電容量85 A·h，充電結束，電池1剛好充滿，電池2和電池3則需要均衡充電，電池1均衡容量為5 A·h，電池2均衡容量為10 A·h。利用電池組最大可用能量為均衡變量時，電池組最大可用容量也實現最大化，達到90 A·h，且所有電池都充滿電，電池組的能量實現了最大化。利用最大可用能量均衡具有較好的穩定性，其評價結論并不隨電池荷電狀態和工作電流的變化而變化，可有效地防止均衡對象發生變化。

電池組的最大可用能量和電池的最大可用容量和SOC相關，所以存在相同的問題，即難以準確估算和實時在線測定。對常見的5種均衡變量進行分析對比，得到結果如表1。

表1 均衡變量對比

5 結束語

均衡變量的選取對均衡效果有很大的影響，通過對5種變量的分析對比發現，單一的變量都存在很明顯的缺陷，所以基于一個變量的均衡策略無法達到令人滿意的均衡效果。在后續對均衡控制的研究中：

（1）應該對現在的均衡策略進行優化；

（2）更重要的是將均衡變量結合，進行多變量混合均衡控制,這樣可以避免單變量不穩定帶來的影響；

（3）也可以對其進行分時段均衡，利用不同均衡策略適用的工況分為靜置、充電和放電。充分發揮各種策略的優勢，使得均衡效果達到最好。