串聯電池組并行均衡管理研究與應用

高萬兵

(宇通客車股份有限公司， 鄭州 450000)

鋰電池已廣泛應用于電動汽車和電力儲能，為了達到車載電源等裝置的電壓、功率以及能量的需求，需要將多支鋰電池電芯通過串并聯方式組成電池系統[1]。實際使用過程中，即使是做過嚴格成組篩選的電池組，在經過一段時間使用后，電量衰減速度也遠比單體電池快，主要原因是電池組中電芯的一致性問題[2]。目前行業內主要采用由電池管理系統內部均衡和由非電池管理系統外部均衡兩種方式解決。因成本和散熱問題，電池管理系統內部均衡電流有限，一般為100 mA左右，均衡速率較低，且不適用于大容量電池系統[3]；而外部均衡方式因均衡電流大，均衡速度快，受到業界普遍推崇。外部均衡策略主要有基于電池電壓和容量兩種方式：基于電壓的均衡策略，不需要復雜的計算，是常用的一種方法，但均衡策略受均衡線路壓降的影響，電池均衡的一致性難以保證；基于容量的均衡策略，需要對單體電池的SOC進行估算，該方法依賴于高精度的SOC算法，計算難度大，實現較為復雜[4]，在實際應用中因電池一致性受內阻、容量、自放電率等因素影響，實際的均衡效果也不理想[5-6]。

本文通過對串聯電池組最大可用容量進行分析[7]，提出一種基于單體電池電壓的串聯電池組并行外部均衡方法(以下簡稱“并行均衡”)。該方法應用脈寬調制技術控制均衡電流，采用均衡線纜與采樣線纜分時復用技術，消除均衡線纜壓降對串聯電池組一致性的影響，確保串聯電池組均衡的一致性。

1 串聯電池組并行均衡管理

1.1 串聯電池組最大可用容量

以某電動商用車為例，其電池系統使用192支單體容量為228 Ah、額定電壓為3.22 V的磷酸鐵鋰電池經過串聯后組成618.24 V、228 Ah的串聯電池組，再由3個串聯電池組經過并聯組成電量為422.876 kW·h的電池系統，每個單體電池電壓可通過電池管理系統實時采集。本文討論其中串聯電池組的均衡技術。

容量和SOC不一致的串聯電池組中單體電池的容量表示為向量C=[C1,C2,C3,…,Cn]。SOC的向量表示為SOC=[SOC1,SOC2,SOC3,…,SOCn]。對組內某個單體電池m來說，充電容量Cc為[8]

Cc=Cm·(1-SOCm)

(1)

可放電容量Cd為

Cd=Cm·SOCm

(2)

無均衡電池組的最大可充電容量Cx為

Cx=min [C1·(1-SOC1),C2·(1-SOC2),
C3·(1-SOC3),…,Cn·(1-SOCn)]

(3)

同理，電池的最大可放電容量Cy為

Cy=min (C1·SOC1,C2·SOC2,
C3·SOC3,…,Cn·SOCn)

(4)

由此得出，電池組的最大可用容量Cp為[8]

Cp=Cx+Cy

(5)

Cp=min[C?(1-SOC)]+min(C?SOC)

(6)

式(6)中，?表示向量元素對應相乘。

根據上述分析可知，在沒有均衡的電池組中，電池組的最大可用容量是由電池組內充/放電能力最弱的單體電池決定。若充電能力最弱和放電能力最弱的不是同一個單體時，則電池組的最大可用容量將小于電池組內任一單體電池的實際容量[8]。

如果能將串聯電池組中每一個電池單體均充滿或放空，如圖1所示，那么電池組的可用容量將只受容量最小的單體電池影響，串聯電池組的理論使用壽命近似等于電池組中短板電池的壽命，如圖2所示。

圖2 串聯電池組均衡效果的理論壽命示意圖

1.2 并行均衡及影響因素

并行均衡是指對串聯電池組中各單體電池通過同步充電或放電的方式進行均衡，實現電池組中所有單體電池的上限電壓或下限電壓一致，保證電池組中所有單體電池在放電或充電時充分發揮各自的能量。本文主要論述并行充電均衡方式。

串聯電池組中每支單體電池電壓可實時采集，所以將單體電池電壓作為均衡策略判斷條件，在恒流充電過程中，單體電池的端電壓V(t)可用Rint模型表示，即：

V(t)=VO(t)+IRi

(7)

式中：V(t)表示t時刻電池端電壓；VO(t)表示電池的開路電壓；Ri表示充電過程的直流內阻，取充電電流方向為正；IRi表示電池內阻引起的過電勢。即認為單體電池的端電壓是由OCV、直流內阻、充電電流共同決定的[9]。

對于同一體系中同一型號的電池，老化過程中電池的開路電壓與SOC的關系近似穩定，因此電池組中單體電池電壓的差異主要取決于充電電流和電池內阻[10]。電池組均衡過程中，充電電流的一致性可以檢測和控制，但均衡線路的電阻會直接影響電池端電壓的檢測，即其與電池端電壓是耦合的。

均衡線路電阻包括電池內阻和均衡線纜的電阻。電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻。歐姆內阻由電池電極材料、電解液、隔膜、極柱等零部件的電阻和之間的接觸電阻決定。極化內阻是由電化學反應中的電化學極化和濃度極化造成[9]，受電池充電倍率的影響。在電池組恒流均衡過程中，極化內阻對電池組端電壓差異的影響極小，甚至可以忽略，但均衡線纜的電壓降對電池的均衡一致性影響較大。下面以4通道均衡裝置分析線路壓降對電池均衡效果的影響，圖3為4通道均衡設備N+1根線電流分布圖。其中，N為單體電池數量；L1～L5是該電池組的5根采樣和均衡線，I1～I4分別為通道1～通道4輸出的均衡電流。

圖3 4通道均衡設備均衡電流分布圖

假設L1～L5每根線的截面積為0.5 mm2，L1～L4長1 m，L5長1.1 m，銅的電阻率為0.017 2 Ω·mm2/m，那么根據計算電線的電阻計算公式R=ρl/S得：L1～L4每根線的電阻為0.034 4 Ω，L5的電阻為0.037 84 Ω。

當所有通道均以5 A電流恒流均衡時，從圖3可以看出，L2～L4上的電流正負抵消為零，L2～L4上無電壓降。通道2和通道3端口采樣到的電壓分別為CELL2和CELL3的電壓。由于I1在L1上產生的電壓降為0.172 V，I4在L5上產生的電壓降為0.189 2 V，通道1端口采樣到的電壓比CELL1實際電壓高0.172 V，通道4端口采樣到的電壓比CELL4實際電壓高0.189 2 V。如果以3.6 V作為均衡截止的判斷條件，每個電池初始狀態一致，CELL4將最先均衡截止，實際截止電壓為3.410 8 V；其次是CELL1均衡截止，實際截止電壓為3.428 V；最后是CELL2和CELL3根據均衡線路電阻大小先后截止。

實際中，電池狀態和各通道的均衡線路電阻存在差異，且一致性難以控制。按照上述分析，電池截止電壓會存在較大差異，均衡電流越大，線纜長度差異越大，線纜上產生的壓降就越大，電池經過均衡完成后一致性越差。達到一定程度時，均衡設備無法起到均衡的作用。因此，電池組均衡時消除均衡線路電阻影響，是保證電池一致性的關鍵。

1.3 并行均衡的解耦控制

采用N+1根線纜對串聯電池組均衡時，電池組中各單體電池的均衡截止電壓存在較大差異。本文提出均衡與采集線纜分時復用技術，輸出線纜為N+1根，采用脈寬調制技術控制均衡電流，在電池均衡末端采用PWM波的形式控制輸出電流，在輸出電流為0時，對單體電池的電壓進行檢測，消除均衡線路電阻對單體電池電壓檢測值的影響，從而實現了均衡過程中，電池端電壓與均衡線路電阻的動態解耦，既解決了均衡線路電阻對電池組一致性的影響，也可以保證各電池均衡后的一致性狀態。同時，通過并行均衡，可以準確檢測串聯電池組中每個單體電池的容量，對于內阻大或自放電率大的電池也可以通過多次循環均衡的方式有效識別。

通過控制電池組中各單體電池的電壓和電流，實現同電壓、同電流均衡截止，這種均衡方式與基于容量估算的均衡策略相比，有效地規避了因電池內阻差異、容量差異、均衡線路電阻等因素對電池組均衡效果的影響，降低了電池管理系統狀態估算的難度，使電池組中各單體電池的均衡更加可靠、有效，尤其針對上千支、上萬支單體電池組成的商用車車載儲能系統和電力儲能系統，能夠在短時間內最有效地實現均衡和故障電池診斷。

2 模塊化并行均衡充電系統

根據大規模電池成組特點，并行均衡充電系統采用模塊化結構，如圖4所示。每一個均衡通道對應電池組中的一支單體電池，基于商用車電池組主要以12支或16支單體電池組組成，本文以每12個均衡通道為并行均衡充電系統的基本單元，每個基本單元中的12個均衡通道采用串聯結構，最多可同時實現12支單體電池串聯電池組的均衡。如果電池組串聯數量多于12支且小于等于24支，可采用2個均衡單元對電池組進行均衡，以此類推。每個通道的輸出為恒流5 A；可根據不同的電池體系，設計不同的工作模式和截止電壓值。系統采用脈寬調制均衡控制技術，保證各單體電池均能達到自身的最大容量，確保將動力鋰電池組的不均衡度控制在允許的范圍內，從而提高動力鋰電池組的循環壽命。均衡系統支持對每個單體電池電壓的實時檢測和監控、均衡能量的自動測算、測試數據的自動保存。同時，均衡系統設計多重保護措施，以確保電池及均衡系統的安全。

圖4 電池組并行均衡系統原理框圖

均衡系統分為三大功能單元：APFC單元、12通道并行充電單元和主控單元。APFC單元將交流電轉換為高壓直流，同時實現高功率因數并抑制啟動沖擊電流；12通道并行充電單元檢測接入的電池支數以及電池電壓是否符合均衡要求，若符合要求，均衡模塊輸出電流為每支電池均衡；12通道并行充電單元同時與主控單元通訊，上傳相關均衡信息，主控單元支持將相關信息存入到SD卡中，當電池達到均衡結束條件后，并行均衡單元停止對此電池的均衡，直到所有電池完成均衡，并行均衡系統停止工作。APFC單元和主控制器的原理框圖如圖5所示，主電源板主要由EMI/C整流濾波單元、預充電單元、APFC功率轉換單元、高壓直流輸出控制單元、輔助電源單元及主控制器單元組成。

12通道并充單元由12個并充模塊、輔助電源、并充單元主控板組成。其中并充模塊采用恒流恒壓雙閉環控制，恒流值為5 A，恒壓為4.85 V；當模塊輸出電壓大于4.85 V時判定為模塊故障，并輸出報警信號。

圖5 APFC與主控制器原理框圖

3 試驗結果

任意挑選12支初始電壓大于2.5 V，容量為40 Ah的單體電池進行成組(其中三支一致性較差)，單體電池容量與內阻的對應關系如圖6所示。從圖中可以看出該組電池的最大容量為42.276 Ah，最小容量為34.063 Ah，容量差最大為8.213 Ah；最大內阻為2.917 mΩ，最小內阻為0.544 mΩ，內阻差最大為2.373 mΩ。

圖6 電池組單體電池的容量與內阻對應關系

將單體電池按照編號1～4、5～8、9～12分為三組，分別將它們的荷電狀態調整至10%、30%、50%進行串聯成組測試。

使用并行均衡系統均衡前后的電池組充放電容量對比如圖7所示。均衡前，電池組充放電容量為最小單體電池容量的50%(即17Ah左右)；均衡中，電池組充放電容量從最小單體電池容量的50%左右提高到最小單體電池容量的100%；均衡后，進行三次充放電循環，電池組充放電容量仍保持在最小單體電池容量的98.79%以上，且保持穩定，說明維護效果良好，并行充電維護設備可以對一致性較差的電池組進行均衡。

圖7 串聯電池組均衡前后的充放電容量對比

均衡前后的單體電池放電末端電壓對比如圖8所示。均衡前，從各單體電池的末端電壓無法判斷電池優劣；均衡后，容量較低的電池與其他電池放電末端壓差很大，使用此設備進行電池組均衡后，再對整組電池進行放電，根據電池組的末端壓差可以剔除容量較低的電池。同理，采用均衡系統均衡后，將電池組擱置一段時間后再進行放電，可以對自放電率較大的電池進行分選。

圖8 電池組均衡前后的單體電池放電末端電壓對比

4 結束語

將本文所述的串聯電池組并行均衡系統用于某大型兆瓦級儲能項目，系統容量提升超過15%，且均衡后系統容量保持穩定。并行均衡技術可對一致性較差的串聯電池組進行均衡維護，并保證在串聯電池組中的各單體電池以同電流、同電壓充電時截止均衡。均衡后，串聯電池組中所有單體電池的動態末端電壓將調整至較小的偏差范圍內，保證電池組中各單體電池一致性，最大限度地發揮電池組的放電容量。同時，并行均衡系統可定位電池組中容量較低的電池，以便對容量衰減較快的電池進行定位。