大功率動力電池組BMS的主動均衡混合策略

張清明， 陳興龍， 李錦英，溫 飄， 陳亞菲

(1. 中國科學院光電技術研究所，四川 成都6 10209；2.中國科學院光束控制重點實驗室，四川成都 610209；3. 西南交通大學電氣工程學院，四川成都 611756)

為了滿足高電壓或大功率動力電源需求，常將動力電池單體串、并聯，串并混聯構成電池組使用。但由于電池的生產工藝與使用環境的差異，各電池間容量、內阻等參數存在不一致問題[1]。在電池組循環充、放電的過程中，電池參數間的不一致性將會逐漸積累，表現出電量不均衡，導致電池組可用容量縮減、性能衰退，甚至引發安全問題[2]。電池均衡是改善電池組不一致性、提高性能的有效途徑[3]。

目前，主流的電池均衡方式有耗散型被動均衡與能量再次分配的主動均衡。前者是將電池能量以電阻散熱方式釋放掉，此方法結構簡單且易實現，但會產生大量的熱、能耗高且效率低[2]。主動均衡將能量從單體電量較高轉移部分給電量較低的電池，避免木桶效應，從而提高電池組的可用容量，電路拓撲類型包括電容式、電感式、變壓器式和DC/DC 變換器式等[4]。基于電感的電路拓撲只適用于相鄰電池單體間傳遞能量，靈活性不足，效率低[5]；基于電容的電路拓撲均衡效果受電池壓差制約，均衡能力差[6]。Hartley T 等[7]提出基于DC/DC 變換器的均衡新拓撲，能夠在電池充電、放電以及靜止三種狀態下完成相應的均衡控制。文獻[8]中提出一種基于反激式拓撲的串聯鋰電池組均衡電路，該電路運用最短路徑算法，通過控制MOS 管的開關狀態，形成串聯電池組與單體電池間的能量轉移回路。本文選用基于變壓器的均衡拓撲實現不同狀態下的雙向均衡，均衡效率高、效果好。

同時，有效的均衡策略使用將直接關乎著BMS 的整體性能，均衡判據一般分為電池端電壓、容量、SOC變量。電壓判據是高放低充的思路，以各個電池單元電壓一致為目標，適用于在電池的充電末期與放電末期[9]。容量判據存在電池老化容量衰減問題與滿充容量不變特性，而單體電池的最大可用容量僅能離線獲得，不適用于在線均衡，可用于電池的定期維護。文獻[10]以SOC作為均衡判據改善電池組的差異性，提升電池組容量，當不同工況下電流突變時，不會導致電池SOC波動，有較好的均衡控制穩定性。SOC均衡變量反應著電池的放電深度，不僅能提高電池容量利用率，還能有效避免極化效應與電壓波動的影響。但也對SOC估計精度的需求與系統的運算能力，提出了更高的要求[11]。在電池工況過程中，充分利用其自身特性，本文提出一種分段匹配電池電壓與SOC作為均衡判據的主動均衡混合策略。

本文主要圍繞能量均衡拓撲、主動均衡混合策略及實驗驗證幾個方面展開論述。首先，根據能量雙向轉移思路建立了基于同步雙向反激式變壓器的主動均衡控制電路拓撲，介紹了能量流動回路以及控制參數整定；其次提出一種電池SOC、電壓均衡判據分段匹配主動均衡混合策略，闡述了均衡策略的制定過程、閾值參數的整定；最后通過均衡實驗，對所提的混合策略進行測試驗證。

1 主動均衡拓撲設計

1.1 BMS 均衡系統架構

本文選用LTC3300-1 是一種多單元電池組平衡器，可實現多達6 組電池模塊串聯的雙向均衡，能有效地減少均衡時間和功率耗散[12]。通過SOC估計出電池的SOC、電壓參數，判斷是否滿足均衡開啟條件。

本文電池管理系統設計的總體結構，如圖1 所示。該系統采用主從分布式架構，具有可擴展的主動均衡功能。電池組采用串并混聯的方式，每個電池小模塊由多個單體電池并聯，再將其串聯成組，從而可實現大功率電池組的容量擴展。主控單元(master control unit，MCU)可檢測母線電流，并利用串口與上位機通信進行數據交換，而每個從控單元(slave control unit，SCU)對6 個模塊(多個單體電池并聯組成)串聯而成的電池組進行電壓采集、控制系統均衡的開斷、實現與主控單元在內部CAN 總線上的通信功能。從控單元SCU 中將數據采集和控制模塊以及均衡執行模塊分離，SCU_1 執行均衡控制與通信功能，SCU_2 用于電壓、溫度數據采集以及通信，SCU_3 負責采集各個單體電池電流與安全保護。

圖1 電池管理系統框架圖

1.2 均衡電路與能量回路

1.2.1 均衡電路

針對串聯電池組模塊，基于同步雙向反激式變壓器建立了主動均衡控制電路以及能量流動示意圖，如圖2 所示。

圖2 主動均衡控制電路及能量流動示意圖

圖2中，T1 變壓器兩端有兩個MOS 管(QA 與QB)，由均衡控制單元LTC3300-1 的GP 與GS 輸出信號控制MOS 管開斷，完成相應的電路切換，實現電池組之間的能量轉移。

1.2.2 均衡電路的能量轉移過程

單電池能量向電池組中轉移過程，亦稱削峰模式。為防止電池組中能量最高的單體出現過充現象，將該單體的部分能量傳遞給整個電池組，降低其電壓，從而使該單體得到保護且改善電池組不一致性。如圖2 所示，若電池組中Cell_k能量最高時，首先控制QA 接通，Cell_k 與其對應的原邊(圖中左側)形成回路，Cell_k 向原邊電感充電，充電完成后控制QA斷開。初級磁通減少，原邊電動勢極性反轉，由于互感作用，次邊(圖中右側)相應反轉，此時DB 導通，回路形成，可實現原邊(某電池)對整個電池組(某電池或某些電池)進行充電[13-15]。

電池組中的能量向單電池轉移過程，亦稱填谷模式。為防止電池組中能量最低的單體出現過放情況，將電池組的部分能量傳遞給該單體，升高其電壓，從而使該單體得到保護且降低電池組不一致性。如圖2 所示，當電池組中Cell_k 能量最低時，先控制QB 接通，電池組與副邊(圖中右側)形成回路，電池組向副邊電感充電，充電完成后控制QB 斷開。初級磁通減少，次邊電動勢極性反轉，由于互感作用，原邊(圖中左側)相應反轉，此時DA 導通，回路形成，可實現整個電池組對原邊(某電池)進行充電。通過電能與磁能相互轉換，實現能量在電池組與單體電池間雙向傳遞[13-15]。

1.3 均衡控制參數整定

均衡電路優劣由均衡電流、轉移電量、均衡時間、均衡效率、均衡能耗等參數來評價，其中均衡電流IB和均衡過程中轉移電量QB兩個參數尤為重要[10,16]。對本文的雙向主動均衡電路兩種均衡模式的IB與QB進行參數分析，均衡電流時序如圖3 所示。

圖3 均衡電流時序圖

1.3.1 削峰模式

根據均衡電路原理，當PWM 信號為低電平時，MOS 管QA 導通，形成回路均衡電流為：

式中：RA為削峰模式回路的等效電阻；UBj為被均衡的電池電壓；Upack為電池組的輸出電壓；vs為MOS 管壓降[16]。

當PWM 信號為高電平時，均衡關斷，即IB0=0。設PWM信號的占空比為a，則等效均衡電流IB為：

式中：IB為均衡回路中等效均衡電流；T為一個開關周期；t為均衡時長。

當設均衡時間為tB，用安時積分法計算單體電池Bj 在均衡過程中被充入電量QB為：

式中：η 為電池的庫侖效率。

1.3.2 填谷模式

根據基爾霍夫電壓定理及歐姆定理得到均衡電流：

式中：RB為填谷模式回路的等效電阻。

通過實時監測均衡電池與電池組的能量差值，制定相應的均衡策略，根據式(4)便可得到均衡電流。同理式(3)，填谷均衡過程轉移電量QB為:

2 主動均衡混合策略

本文選用CAM72 方型電池的SOC-OCV曲線，如圖4 所示。其變化規律呈現三段變化趨勢：

圖4 開路電壓與SOC關系曲線與不同周期的均衡判據分析

(1)應急放電區段：SOC＜20% 時，若電池持續放電，電壓將呈急劇下降趨勢，此時端電壓作為均衡變量，可避免出現電池過放的安全隱患；

(2)常用工況區段：20%≤SOC≤90% 時，該階段選擇電池SOC作為均衡變量，整定均衡控制開斷閾值，從而改善電池組的不一致性；

(3)充電均衡區段：SOC＞90% 時，隨著SOC增大電壓也顯著增加，端電壓能直接反映當前電池狀態，若端電壓作為均衡變量，可避免電池出現過充問題。

2.1 SOC 變量均衡

SOC均衡變量有三個判據參數：SOC均值、標準差和極差，可表示成如下形式：

式中：SOCi為第i節電池的SOC；n為電池組中電池個數；SOCavg為電池組所有電池SOC的平均值；RSOC為電池SOC的極差，反映電池組SOC不一致性的最壞情況；ε 為荷電狀態的標準差，反映電池SOC的離散性與電池組的不一致性[8]。

根據鋰電池SOC的估算精度及均衡經驗數據，若β 表示臨界值，一般取值(β=0.02)。當ε＞β 時，表明電池組處于高度不一致狀態；當ε≤β 時，表明電池組一致性良好。其中，ε 僅可以表征電池組SOC的高度不一致性，但不能對實際的不一致性情況進行識別區分，因此，當ε＞β，應結合SOC極差RSOC作下一步的判斷。選取ηs作為RSOC判斷條件，一般選取啟動閾值ηs=2.5%。當ε＞β 與RSOC＞ηs同時滿足，開啟主動均衡器；當結束閾值ηe＜0.5%，則關閉均衡器。

2.2 電壓變量均衡

根據實際工況與電池特性分析，劃分了不同的均衡區域，如圖5 所示。電池組SOC充放電過程中發現，電池的電壓極差有很大的差異，故而設計了SOC與電壓混合判據的主動均衡策略。其中電池電壓極差描述，公式為：

式中：UT為端電壓極差；UTmax與UTmin分別為某時刻的端電壓的最大值與最小值。

由脈沖放電實驗擬合出電池開路電壓與SOC關系曲線，得到各電池在不同SOC時電壓極差值分布情況，如表1 所示。由圖5 與表1 可知，當電池組SOC處于應急放電區域0～20%階段，電池的電壓極差較大，電壓極差閾值達到40 mV 時均衡開啟。當電壓極差UT小于20 mV，則電壓均衡關閉。當電池組SOC處于充電均衡區域90%～100% 區段時，電壓極差閾值達到20 mV 時均衡開啟，當電壓極差UT小于10 mV 時，則電壓均衡關閉。

圖5 各個電池單元在不同SOC下的開路電壓差值分布

表1 各電池不同SOC 時電壓極差值分布表 V

3 平臺測試與實驗驗證

3.1 電池測試平臺

實驗平臺采用可編程控制的Chroma 17028 電池測試儀器，對實驗中電池的電壓、電流數據進行實時測量，如圖6 所示。在模擬負載工況時，設定了不同SOC充放電倍率，使用WEISS WKL 恒溫箱對電池實驗環境溫度進行監控與調節。并在各電池之間貼放溫度傳感器，連接KEYSIGHT 溫度監測設備，監測不同充放電條件下電池的溫度變化。由于實驗裝置的功率限制，未進行完整電池包實驗，本文使用多電池串聯的電池組子模塊作為實驗對象。

圖6 電池測試平臺搭建

根據BMS 設計方案，設計了電池組均衡子系統測試板卡，如圖7 所示。系統各模塊為雙層結構設計，下層是6 組均衡模塊，上層包含主控模塊、監測模塊以及通信模塊等。

圖7 均衡控制單元板卡

3.2 充電階段均衡實驗

為了驗證充電階段均衡控制策略能夠改善電池組內各電池的不一致性，實驗選用6 節電池串聯成的電池組，進行充電階段均衡實驗。電池組中各電池的SOC與電壓極差UT作為充電階段均衡實驗評價指標，實驗步驟如下：

(1)根據磷酸鐵鋰CAM72AH 電池特性參數，將電池組以C/3 倍率(1C=72 A)恒流放電到截止電壓Umin=2.5 V，并靜置1 h；

(2)以C/3 電流進行先恒流后恒壓充電，采樣時間為1 s，記錄各電池端電壓及安時容量并估計SOC值，充滿后靜置1 h，各電池電壓曲線如圖8(a)所示；

圖8 均衡前后各個單體電池充電電壓變化曲線

(3)以C/3 倍率恒流放電到截止電壓Umin=2.5 V，并靜置1 h；

(4)再次以C/3 電流進行恒流充電，根據文中所提的主動混合均衡策略，通過條件判斷充電階段均衡開啟與關閉，直到充電完成(Umax≥3.65 V)，靜置1 h。記錄各實時電池狀態，電壓變化曲線如圖8(b)所示。

由圖8 可知，在充電前中期，實時監測各電池的SOC值變化，對于差異較大電池會開啟SOC判據均衡，有效地改善了充電過程中電池的不一致性。由于電池的差異性，BAT#U4電池電壓平臺相對較高，根據電池組的充電規則，一般會較快地達到上限截止電壓從而使電池組提前完成充電，這將限制其他電池的滿充容量，從而降低電池容量利用率。在電池充電末期(SOC＞90%)，開啟電池端電壓判據均衡，使各電池的最終截止狀態能盡量達到一致。在充電均衡前后電池組滿充電壓狀態，如表2 所示，均衡后滿充容量增加，SOC提升了2.3%，且各電池的電壓極差由74 mV 減小至9 mV。

表2 充電均衡前后電池組滿充電壓狀態

3.3 放電階段均衡實驗

在電池組的放電階段進行了放電階段擱置均衡，實驗采樣時間為0.1 s。將上述電池組充滿并充分靜置，以0.5C電流恒流放電12 min 時，閾值被觸發SOC判據動作，此時停止放電，啟動SOC變量均衡對電池組中各電池進行均衡，直到關閉閾值動作，如圖9 所示。

系統均衡時間與均衡電流大小與電池容量相關，此次實驗由于處于未放電的擱置狀態，為了觀測均衡過程，設置了較小電流進行均衡測試。從圖9 可知，當在放電過程中的t時刻，均衡系統檢測到BAT1 的SOC值為88%，BAT4 的SOC值90.8%，SOC極差為2.8%，大于SOC均衡開啟閾值2.5%。根據本文的主動均衡混合策略規則，SOC均衡將會被啟動，對電池組進行均衡。均衡過程結束后的t+N時刻，電池SOC極差＜0.5%，關閉均衡。此時，電池組中電池SOC值范圍處于89.7%～90.1% 之間，誤差小于0.5%，電池組的不一致性得到明顯改善，驗證了本文所提的SOC均衡混合策略的有效性與可行性。

圖9 電池放電后擱置均衡曲線

4 結論

本文以主從分布式結構作為BMS 框架，研究了基于同步雙向反激式變壓器的主動均衡控制電路，通過電能與磁能相互轉換，實現能量在電池組與單體電池間雙向傳遞。根據實際工況與電池特性分析，劃分了不同的均衡區域，提出了SOC與電壓判據分段匹配的主動均衡混合策略，并進行判據閾值的整定與均衡控制流程的設計。通過搭建實驗平臺，使用多電池串聯的電池組子系統作為實驗對象，運用文中所提的均衡策略，在電池組充電階段與放電擱置階段進行了均衡控制。結果表明電池組的滿充容量提升了2.3%，電壓與SOC極差得到很大改善，降低了電池組的不一致性，提升了容量利用率，驗證了所提均衡電路與均衡策略的可行性與有效性，但下一步工作應對完整電池包與均衡效率方面做進一步的測試與完善。