電動汽車動力電池均衡控制研究

楊依楠，高力，宋晉

（1.華晨汽車工程研究院電控工程處，遼寧 沈陽 110411；2.華晨汽車工程研究院新能源工程處，遼寧 沈陽 110411）

前言

隨著全球環境問題和能源危機的不斷凸顯，加之各國陸續出臺禁售燃油車時間表，作為低碳環保的電動汽車越來越被消費者認可。動力電池作為電動汽車的動力源，其品質直接影響整車安全性、耐久性及動力性等指標要求。鋰離子電池因具備能量密度高、比功率大、壽命長、一致性好、可靠性高等特點，成為電動汽車動力電池的首選，在電動汽車領域獲得廣泛應用[1]。

車用鋰離子電池通常以串聯、并聯和混聯等方式成組，以滿足整車功率及能量的需求。由于制造工藝以及應用工況的差異，單體電池間會存在電壓、SOC、容量、內阻、自放電率等特性的不一致，這種不一致性會隨循環次數增加而加大，進而加速電池老化和性能衰減，甚至產生熱失控風險[2]。因此，電池管理系統中的不一致性管理極為重要。

1 BMS均衡技術

在電池管理系統中，通過均衡控制來實現鋰離子電池在日常使用過程中，單體電池、模組之間的電壓和SOC差異保持在設定的閾值范圍內。確保每個電芯自身可用容量達到100%，提高電池的可用容量，延緩自身或老化造成的容量差異。

電池均衡一般分為主動均衡、被動均衡兩種。

1.1 被動均衡

被動均衡，即能量耗散型均衡，是通過耗能元件將單體電池內的多余電量轉化為熱能加以消耗，從而改善電池單體間的電壓及電量的不一致性。被動均衡拓撲的主要形式為開關電阻式。

開關電阻式均衡電路使用可控開關方式（多采用功率半導體器件，如MOSFET等）來決定耗能元件是否接入電路，接入電路的均衡電阻可通過生熱消耗掉一部分電池能量，均衡電阻耗散的能量符合焦耳定律。

被動均衡（能量耗散型）：

（1）單體SOC過高的cell放電至均衡電阻；

（2）均衡電流小于100 mA。

1.2 主動均衡

主動均衡，即能量轉移型均衡，是通過不同的電路拓撲結構及控制策略，實現不同單體間的能量傳遞，也可實現模組間的能量傳遞。主動均衡在能量利用率、均衡效率等方面均優于被動均衡，但目前主動均衡技術還未做到：開發體積小、易集成、成本低、均衡速度快、可靠性高的拓撲結構。

目前主動均衡電路拓撲結構主要包含基于電容、電感、變壓器等方式，其區別主要在于能量轉換和緩沖器件的不同[3]。

主動均衡（能量轉移型）：

（1）單體SOC過高的cell放電給過低的cell；

（2）均衡電流小于3A。

2 均衡控制策略

均衡控制是指基于選定的均衡變量，使用一定的算法控制均衡開啟和關閉，以此達到控制電池電壓及SOC的差異保持在設定的閾值范圍內。目前應用較為廣泛的均衡策略是通過把電池電壓、容量及SOC作為均衡變量，考慮整車使用工況、均衡開啟路數、均衡溫升等因素來確定均衡開啟條件和均衡剩余時間的估算[4-7]。

本文重點介紹下基于SOC估算的被動均衡，具體的控制策略如圖1所示。

圖1 基于SOC估算的均衡控制流程圖

首先估算出每個單體電池的SOC，根據獲取的 SOC值計算單體SOC之間的差值。當差值大于設定閾值后（目前為2%，后續可標定），依據SOC的差值、電芯容量及均衡電流估算單體電池待均衡時間，目前設定單次最大均衡時間為18.2小時（對應的SOC最大差值為4%）。在均衡的過程中考慮均衡溫升及效果，均衡開啟與關閉采取間隔1 min執行，直至均衡完成。

3 試驗驗證

對上述提到的基于 SOC估算的均衡控制策略，參照GB/T 38661-2020《電動汽車用電池管理系統技術條件》中提供的均衡測試方法，設計相關試驗并對試驗數據進行分析，來驗證該控制策略是否合理。

3.1 試驗方案

本文選取4.5 Ah1P12 S電池包作為試驗對象，首先人為設定單體SOC之間的差異，然后接入BMS均衡功能進行多次充放電，分析均衡前后單體SOC差值變化。

3.2 試驗數據

電池包起始單體SOC均為50%，通過人為設定單體SOC差異，使均衡前單體SOC最大差值為3.6%；接入BMS均衡系統后，經過多次充放電均衡后單體SOC最大差值為1.6%。均衡前后單體SOC詳細的數值變化如下：

圖2 均衡前后單體SOC數值

3.3 試驗結論

在電池包整個均衡過程中，使用電流鉗、萬用表等設備進行數據監控與采集。通過分析試驗數據得知實際均衡電流為60 mA，均衡完畢后單體SOC間最大差值縮減至1.6%，均衡前后SOC差值下降56%。具體試驗結論如下：

表1 試驗結論

試驗結論：

（1）均衡工作正常；

（2）均衡工作電流60 mA；

（3）均衡后SOC最大差值小于2%，下降幅度達56%。

本文提出的均衡控制策略能有效改善單體電池 SOC之間的差異，確保單體SOC狀態均處于一致，且在均衡變化允許范圍內進行充放電，確保每個單體的可用容量得到最大利用。改善了電池包在使用過程中因過度充放電，導致電池壽命衰減嚴重現象。

4 結論

動力電池管理系統的均衡控制對于提升動力電池的使用壽命、延長電動汽車的續航里程有著至關重要的意義。近年來通過理論研究與實車應用相結合，在均衡拓撲結構優化上、均衡變量選取上及均衡控制策略制定方面均有重大的技術突破。

均衡控制有效避免了電池組在使用過程中不一致性問題的發生，促使電池組的一致性得到明顯改善；同時延緩了電池組的衰減速度，實現有效穩定地充電量和續航里程。未來低成本、高效率的動力電池均衡技術必將得到廣泛應用。