基于多層均衡的電動汽車鋰電池組均衡優化設計

劉嘉宣

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

鋰電池作為現今應用最廣泛的電池之一，因其較高的能量密度以及功率密度受到了廣大電動汽車生產商的青睞。而電池管理系統（Battery Management System, BMS）作為汽車動力電池的管理中樞，其對動力電池性能的有效利用以及電池的生命周期有著十分重要的作用。動力電池組的能量均衡是BMS的最為核心的功能之一。

目前，主動均衡和被動均衡是動力電池組能量的兩種主要均衡方式[1]。被動均衡對大多數通過并聯電阻的方式將能量較高的電池進行能量耗散，但是其對BMS的計算要求較小、設計簡單且易于控制，進而得到了廣泛的應用[2]。但是，這樣的均衡方式不僅對電池的能量進行了浪費，而且在均衡的過程中電阻發熱會對電池的熱管理造成困擾[3]。而對主動均衡而言，更多的是對電池的電量進行轉移。于文斌等人設計了一款基于返激同步整流技術的均衡裝置并進行了相應的軟件設計，能夠應用于光伏發電的電池儲能均衡場所[4]。徐順剛等人在深入研究動力電池均衡電路的基礎上，提出了一種由電壓為均衡參數的能夠實現在快速充電過程中進行電池能量均衡的均衡策略[5]。SRIKANTHAN等人以工作電壓作為均衡變量，圍繞各電池工作電壓的一致性設計了相應的均衡管理策略，獲得了較好的均衡效果[6]。UNO等人設計了一種均衡電路，能夠很好地保持電池間電壓的一致性[7]。鑒于主動均衡對動力電池組的作用十分重要，本文設計了一種多層能量轉移型均衡策略，并通過仿真驗證了其可行性。

1 均衡的整體架構

電動汽車的工作安全很重要的一個部分便是動力電池的安全，而這一部分主要是電動汽車的BMS負責。在電動汽車的行駛過程中，電池會隨著工況的突然變化產生過沖或者過放電的情況。很多電池的使用壽命的降低以及電池組能量不一致的原因就來源于此[8]。電池的不一致性會大大降低電池的續航里程，目前大多數動力電池應用的都是采用被動均衡方式，采用一種主動均衡方式對電池進行均衡管理有利于大大加強動力電池的續航里程。

能量轉移型均衡系統因其研究熱度的影響發展方向較為多樣，但總體上其特點為在能量不一致的電池之間設置儲能裝置，通過儲能裝置將電量較高電池的電量進行儲存并釋放給電量較低的電池。這種均衡方式所涉及的儲能元件主要有電容、電感、變壓器等。電容型和電感型的原理相似，更多的是儲能元件的不同，且都能以簡單的控制方式實現相鄰電池間的電量平衡[9]。而變壓器型的均衡效率較高，但是其體積較大、結構復雜且均衡成本較高，所以一般在小功率電池組中不予采用[10]。本文將控制方式難易、成本的高低以及體積和安全性進行綜合考慮，采用電感為儲能元件，設計一種多層的均衡裝置。這里以八個電池模組為例，其總體結構如圖1所示。

圖1 八電池多層均衡裝置總體拓撲結構

在圖1中，第一層均衡系統將相鄰的兩個電池通過均衡單元進行電量的均衡，而更高層則將上一層的均衡單元所均衡的電池作為一個整體進行電量的轉移。圖2為傳統電感主動均衡結構，其只能將相鄰兩個電池的電量進行均衡。若要實現不相鄰電池的電量均衡，其只能在電池之間逐漸傳遞。而多層均衡裝置將第一層相鄰電池進行電量的轉移，在更高層則將之前一層的均衡單元所控制的電池視為一個整體進行電量的總體轉移。這樣可以間接實現不相鄰電池之間電量的轉移。

圖2 傳統八電池均衡裝置總體結構拓撲

2 工作原理及均衡參數分析

2.1 工作原理

所設計的均衡電路主要有電池模塊、電感、電阻、二極管、場效應（Metal-Oxide-Semiconductor,MOS）管等組成。其單元均衡電路如圖3所示。圖中電感L1為儲能元件，為電池B1和B2之間電量平衡時儲存高電量電池釋放的能量，二極管D1和D2則會保護電路的安全。電阻R1為消磁電阻，消除電感中所殘留的磁能，能保護電感防止其發生磁飽和。

圖3 單元均衡電路

當電池B1的SOC高于電池B2時，MOS管M1導通，電池B1多余的電量會逐步轉移到電感L中，而根據外部信號的控制會在適宜的時機斷開M1。此時，電池B2會和電感形成回路對電池B2進行充電。當電感的電壓隨時間減小到小于電池和二極管導通的電壓時，電池 B2的充電階段結束。

2.2 均衡參數分析

當MOS管接收到高電平時，M1會導通，形成一次RL回路，可得

式中，VB1為電池B1的電壓；L為電感值；Ron為M1導通時電路的總電阻；ton為M1的導通時間。由式（1）可得

由式（2）可知，當t=ton時，電流能夠達到最大值：

當M1斷開時，電感給電池B2充電，此時：

式中，Roff為M1斷開后回路的電阻總值。由式（2）和式（4）可以看出，在電池 B1放電和電池 B2充電的過程中，電路之中的電流的變化形式皆為指數函數。

因為在充放電過程中，Ron和Roff的值非常小，所以可以忽略不計，對式（2）和式（4）進行泰勒展開可得

而在此過程中電感所儲存的能量為

為了在這一過程中防止電感發生磁飽和現象，保證電感從高電量處得到的電量能夠充分得到釋放，則有

令開關的周期為T，則有toff＜T，此時有

則對占空比D為

對于整個回路而言，電池采用常見 18650型號電池，其額定電壓為3.7 V，且支持2C的倍率進行充放電，所以imax=5 A。根據電感能夠承載得到最大電流與電感之間的關系，選定電感L為1 H。設定MOS管的導通電阻為170 mΩ，消磁電阻R1為10 kΩ，而連接各元器件的導線的電阻可忽略不計。將電池的額定電壓代入式（3）可得M1的閉合時間為t=1.96 s，取控制信號的振幅為1，周期為4 s，則可得占空比約為50%。

3 均衡控制方案及總體模型設計

3.1 均衡控制方案

均衡變量的選取是制定均衡策略的重要一環。常見的均衡變量為電壓和電池的荷電狀態（State Of Charge, SOC）。電壓是一個電池組最容易獲取且十分重要的參數，而電池的開路電壓只存在于電池組不進行工作即電動汽車擱置時。而工作電壓雖然會在電池工作時不斷變化，但是其易于采集、精度較高，是不錯的均衡變量。電池的SOC可以表征電池在工作狀態的剩余電量，其表示方式便于直觀展示電池目前的電量狀態。此外據研究表明，以電池的SOC作為均衡變量會提高均衡更具有效率[11]。本文的第一層均衡系統將電池的SOC作為均衡變量，使其在進行最大基數的均衡時更具有效率。而在更高層的均衡系統中，由于電池的SOC不能直觀地展現，將該均衡單元所管控的下層均衡單元所管理的電池的電壓之和作為均衡變量。

總體的電池均衡控制策略為在電池工作時讀取各電池的 SOC，當同屬于一個第一層均衡單元的兩個電池的SOC有偏差時，第一層電池均衡單元會通過MOS管控制高SOC電池放電并儲存到電感之中，同時將電感存儲的電量充入低SOC的電池之中，直至電池的SOC相同便會結束第一層均衡。與此同時，高層的均衡單元會將比其低一層的均衡單元所控制的電池的電壓進行加和，從而判斷低層均衡單元的總體電量水平。之后，會像低層控制單元一樣通過 MOS管進行電能的釋放和充入。這樣一來，就借由高層均衡單元實現了傳統電感型均衡的所不能實現的相隔電池之間的電量平衡。而當每一組電池的電壓幾近相同時，便會結束這一層均衡。計總均衡層數為n，由于本文以八個電池作為實例，所以在仿真中n=3。

3.2 總體模型設計

本次仿真以八個串聯的電池為例，仿真過程之中第一層均衡以電池的SOC作為均衡變量，高層的均衡以其所控制的低層均衡電池的電壓之和為均衡變量。

采樣間隔為0.1 s，最終以八個電池的SOC輸出作為電池能量均衡結果的展示，每個電池的初始SOC依次為90%、70%、60%、80%、75%、95%、85%、65%。

在本次仿真中，電流源將提供5 A電流充電、靜置和5 A電流放電三種工況。每種工況下八個電池模型的SOC隨時間變化曲線將直觀體現均衡的結果。

4 仿真結果與分析

圖4為5 A充電工況下各電池SOC隨時間變化的圖像。在充電初期，由于第一層均衡原件的影響，SOC較高的電池由于要將多出的電能釋放而使得SOC增長相對較慢。而SOC較低的電池由于得到電感所儲存的電能使得 SOC增長速率較快。當同一均衡元件所控制的兩個電池的SOC曲線相交時，第一層均衡結束。電池將分為四組，在第二層和第三層均衡的影響下SOC逐步升高且趨于一致。當有一組電池的 SOC為 100%時，該組電池已經充滿。此時，其他組的最小SOC也已經超過 90%，均衡效果顯著。這樣，其他組與該組的電壓差距會變小，整體模組的充電會變慢。

圖4 以5A充電工況下電池組SOC隨時間變化圖

圖5為靜置工況下電池SOC隨時間變化的圖像。在靜置情況下，第一層均衡效果明顯，使其管控下的兩電池SOC快速趨于一致。當第一層均衡結束后，電池組整體在高層均衡的調控下 SOC逐漸靠攏。

圖5 靜置工況下電池組SOC隨時間變化圖

圖6為5 A放電工況下的SOC變化圖。其中電量較多的電池在多層均衡的影響下會釋放掉更多的電能，而電量較少的電池則因為得到高電量電池所釋放的能量而使得SOC下降較慢。在第一層均衡結束后，各電池的SOC變化會相對變緩且逐步趨于一致，直至完全放電。

圖6 以5A放電工況下電池組SOC隨時間變化圖

由圖4—圖6可知，多層均衡策略在充電、靜置、放電的工況下都能進行有效的電能轉移，進而保證電池組電量的一致性，在SOC差距較大的情況下仍然能夠進行電池之間的電量均衡。

5 結論

本文在傳統電池電感均衡系統的基礎之上，提出了一種多層式電感能量均衡方案。通過以八個串聯電池為例搭建了該主動均衡模型，仿真結果驗證了其在充電、靜置、放電三種工況下的有效性，證明其具有一定的正確性和可行性。