48 V輕混汽車鋰電池組主動均衡研究

藍仁恩 魏義禮 陳博偉 李育涵 賈永凱

（1.海裝駐北京地區第三軍事代表室，北京 100081；2.威海廣泰空港設備股份有限公司，威海 264200；3.哈爾濱工業大學（威海），威海 264209）

1 前言

48 V 系統作為一種有效的節能技術，日益受到業界關注[1]。鋰電池組作為48 V 系統的能量來源，相比于鉛酸電池和鎳氫電池具有更高的能量密度和更好的充、放電性能。

電池組中電池間的差異會隨著電池的使用而不斷增大。為提高電池組使用壽命，國內外學者針對電池管理系統（Battery Management System，BMS）中的均衡管理開展了大量研究，主要包括均衡拓撲研究與均衡策略研究[2-3]。

根據被均衡能量的轉換結果，均衡拓撲電路主要分為耗散型和非耗散型。耗散型拓撲電路以分流產熱的方式消耗多余的能量，使電池組中單體電池的能量均衡[4]，這種拓撲結構會造成電池組能量的浪費。非耗散型拓撲電路通過臨時存儲能量的電子元件將電池組中高電量電池的能量轉移到低電量電池[5]。Mohamed 等利用電容作為能量轉移介質設計了一種均衡拓撲結構，減小了均衡系統的規模[6]。Masatoshi 等提出了一種采用多層降壓-升壓轉換器的單開關單元電壓均衡器，顯著降低了電路的復雜性[7]。Gu 等提出了一種混合開關降壓式DC/DC 電源變換器用于均衡系統，實現了更高效的能量傳輸[8]。于仲安等將基于開關電感的Buck-Boost 均衡電路與可重構均衡電路相結合，提高了能量轉移效率和均衡速度[9]。

目前，對均衡策略的研究以保障電池電壓、電池荷電狀態（State Of Charge，SOC）與電池剩余最大可用容量的一致性為目標展開。郝曉偉選取電池組中最高能量電池與最低能量電池電壓的差值為均衡指標，提出了基于單體電池電壓的主動均衡控制策略[10]。然而，由于測量誤差和電池遲滯效應特性的存在，很難根據電壓實現充、放電過程中電池能量的精確控制。Zhang 等分析了內阻、荷電狀態等參數的一致性對電池組能量利用效率的影響敏感性，并采用對能量利用效率影響最顯著的SOC 變化作為評價指標[11]。Ma 等將擴展卡爾曼濾波算法用于電池SOC 估計，并以此作為均衡控制的指標，設計了兩級雙向均衡電路和模糊控制邏輯，實現電池單元間的均衡[12]。

本文基于某車型48 V 電池系統進行電池主動均衡設計，通過基于SOC 的均衡提高電池組安全性，以更精確地反映電池的能量狀態，并通過模糊控制提高單體電池間能量均衡的準確度。

2 電池成組設計

本文的研究對象為某混合動力車型48 V 電池系統，選取寧德時代三元鋰離子電池作為電池系統的電芯，如圖1 所示。電池組的電壓一般根據系統的需求設定，電壓確定后，即可得到電芯的數量N：

圖1 本文電芯示意

式中，Vp為電池組電壓；Vc為電芯電壓。

為滿足電池組的電壓需要，擬采用12串的成組方案。為了選取一致性較好的電池，首先對電池進行基礎參數測試。測試平臺主要由上位機、充放電測試儀與高低溫箱組成，電池測試平臺的連接如圖2 所示。上位機主要負責編寫電池測試程序，控制充放電測試儀與高低溫箱及記錄電池測試過程中的參數信息。電池單體測試采用的充放電測試儀為新威CT-4008，其電壓范圍為0～5 V，電流范圍為0～100 A，最高采樣頻率為10 Hz。在進行電池組測試時，采用的充放電測試儀為新威CE-6004n，該設備所容許的最大電壓為100 V，電流范圍為0～100 A，最高采樣頻率為10 Hz。測試平臺采用的高低溫箱為新威MGDW-150-40H，溫控精度為1%，可以將電池所處的環境控制在-40～150 ℃范圍內的任意恒溫溫度。

圖2 電池測試平臺

首先進行電池的容量測試。電池的實際容量會隨著使用而逐漸衰減，因此電池容量標定時需要測定電池的標準可用容量。標準可用容量受充、放電條件、電池所處的環境等因素影響，設計電池容量標定測試步驟為：

a.高低溫箱溫度設置為25 ℃恒溫，等待溫度穩定；

b. 將電池與充放電測試儀連接并置于高低溫箱中靜置2 h；

c. 以恒流恒壓（Constant Current and Constant Voltage，CCCV）方式對電池充電，恒流充電電流為18.5 A（0.5 C），截止電壓為4.2 V，恒壓充電截止電流為1.85 A（0.05 C），完成充電后靜置2 h，保證電池穩定；

d. 以恒流（Constant Current，CC）方式對電池進行放電，放電電流為18.5 A，直到電壓到達下截止電壓3.0 V停止放電，靜置2 h，記錄電池放出的電量；

e.重復步驟c～步驟d，總計循環3 次，并記錄電池放出的電量。

按照GB/T 38661—2020《電動汽車用電池管理系統技術條件》的規定，當每次測量得到的電池容量與所測容量均值的偏差均小于2%時，才可以認為所獲取的電池容量為電池的標準可用容量。本文所測得的電池標準可用容量及偏差如表1 所示，選取的電池容量偏差小于0.3%，對電池組中所有單體電池進行容量測試可知，單體電池容量一致性較高，可用容量可以達到38.3 A·h。

表1 電池標準可用容量及偏差

3 電池組主動均衡設計

3.1 主動均衡方案及拓撲結構

最典型的基于電感的主動均衡方法是相鄰電池的均衡，即每2 個單體電池之間都存在一個均衡電容用于均衡電池能量。該方案結構簡單、可操作性較強，但當被均衡單體電池位置較遠時，能量轉化效率受限于待均衡單體之間的距離與電感的容量，均衡效率低且時間長。基于上述特性，Bo 等[13]提出了電感并行的均衡拓撲架構，通過分層布置均衡單元的方法，在減少均衡單元數量的同時極大地縮短了均衡時間，提高了均衡系統效率。該拓撲方案具有多層結構，可以通過較少的均衡次數實現相隔較遠的單體電池間的能量均衡，降低了均衡過程中儲能電感頻繁的能量轉換帶來的能量損耗。電池組采用1 并12 串的成組方案，電感并行主動均衡拓撲結構如圖3所示。

圖3 電感并行主動均衡拓撲結構

在圖3所示的均衡系統中，拓撲結構的層數為：

式中，m為待均衡單體電池的數量。

均衡單元1-1～均衡單元1-6 組成的結構為電感并行結構的第1 層，其功能是均衡相鄰單體電池間的能量。均衡單元2-1～均衡單元2-3 組成電感主動均衡結構的第2 層，該層以2 個相鄰單體電池為一個小組，電池箱內分為3個小組，這一層用于均衡相鄰小組間的電量，同理，均衡單元3-1與均衡單元3-2組成第3層，用于均衡8個電池單體組成的大組間的電量。

由上述主動均衡拓撲結構及分析可知，電感并行主動均衡系統由于拓撲結構的優化，各均衡單元可以獨立工作，互不影響，以便同時對單體電池及不同的均衡單元電池組能量進行均衡，減少了均衡次數的同時提高了均衡系統的效率。同時，優化后的拓撲結構與傳統主動均衡拓撲結構相比，擁有更少的均衡單元，可以減少均衡過程中的能量損耗。

3.2 均衡電路工作原理

完成主動均衡方案及拓撲結構選擇后，對主動均衡系統中的均衡單元進行設計與分析，均衡單元結構如圖4所示。

圖4 均衡單元結構

當均衡單元連接的兩部分達到均衡系統工作條件時，打開與高能量電池連接的金屬-氧化物-半導體場效晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET），對電感充電；充電結束后關閉MOSFET 并開啟與低能量電池連接的MOSFET，使電感對電池充電，完成均衡過程。為研究均衡系統的工作原理與過程，假設電池B1的能量高于電池B2的能量，且B1、B2能量的均值大于電池B3、B4 能量的均值，分別分析電池在不同運行工況下的均衡原理。

電池組處于充電狀態時，為保證所有單體電池都能在不超過上截止電壓時充滿電，需要對電池組進行均衡管理。充電過程的電流方向如圖5 所示：均衡開啟時，開關Q1 閉合、開關Q2 斷開，B1 對電感L1 充電，此時B1 的電流抵消部分外接充電電流，B1的充電速度降低；同理，B1、B2 對電感L3 充電時，B1、B2的充電速度也有所降低，見圖5a；當電感完成充電后，Q1 斷開，L1 通過Q1 的續流二極管對B2 充電，增強外接充電電流，B2的充電速度提高，同時電感L3 通過開關Q3 的續流二極管也提高了B3、B4 的充電電流，見圖5b。

圖5 充電均衡過程示意

當電池組對外輸出能量時，為保證能在BMS 截止放電時充分釋放電池組能量，在放電過程中也需要對電池組中的單體電池進行能量均衡。均衡系統開始工作時，Q1閉合、Q2斷開，B1、Q1與L1組成放電回路，電池B1對外輸出電流，對L1進行充電，此時均衡電流的存在也加速了B1 的能量輸出。同時，B1、B2 與Q5、L3 也組成放電回路，加速B1、B2 的能量消耗，如圖6a 所示。當電感L1、L3 充電結束完成儲能時，Q1、Q5斷開，儲能電感L1、L3通過續流二極管分別對B2、B3、B4 充電，減弱了電池對外放電的能力，如圖6b所示。基于上述過程，BMS完成電池放電過程的能量均衡。

圖6 放電均衡過程示意

3.3 主動均衡控制策略

由于電池具有輸出非線性、遲滯效應以及老化現象等特點，可以將人類操作的經驗引入到主動均衡系統中，采用基于模糊控制的主動均衡策略，可以根據實時得到的電池狀態信息及模糊規則對電池組進行均衡控制。同時，基于模糊控制的主動均衡策略能夠根據電池組的不一致性有目標地調節均衡電流，有效避免過均衡或均衡時間較長的現象，也可以在主動均衡系統工作過程中充分發揮電池的放電能力。在設計模糊邏輯控制（Fuzzy Logic Control，FLC）策略前，需制定均衡系統開啟、關閉的閾值條件，避免對非必要電池頻繁地進行主動均衡，提高主動均衡的控制效率。

主動均衡控制策略控制過程如下：實時檢測被均衡單元電池的工作電壓與估算得到的電池SOC信息，計算待均衡單元電池的電壓差值與SOC 差值。當檢測到均衡單元電壓差大于0.05 V 且SOC差值大于0.05 時，啟動該均衡單元，并通過模糊邏輯控制器求解均衡電流。根據均衡單元層數和目標均衡電流等信息求解控制器輸出的脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）波頻率，通過本文設計的均衡電路進行能量轉換，實現2個電池或電池組之間的能量均衡。檢測到被均衡電池的電壓差值和SOC 差值小于上述閾值時，表明與均衡單元相連的電池或電池組的能量已經近似相等，均衡系統停止均衡并繼續監測單體電池的電壓及SOC 等信息。在本文所建立的主動均衡系統中，每個均衡單元都應執行上述控制策略，具體控制策略如圖7所示。

圖7 主動均衡控制策略流程

3.4 主動均衡系統模糊控制器設計

為提高系統的均衡效率，本文選用基于模糊控制的主動均衡策略，通過模糊控制器計算均衡電流，據此調節主動均衡系統的控制頻率，該控制器結構如圖8所示。

圖8 模糊控制器結構

模糊控制器的輸入為主動均衡判定依據電壓差值ΔV及SOC 的差值ΔSSOC，控制器的輸出為均衡系統的均衡電流I。

在模糊化過程中，需使用模糊集對控制器的輸入、輸出進行描述。將論域劃分為5個模糊集，模糊集中的參數分別表示極小（VS）、小（S）、中（M）、大（B）、極大（VB），模糊集表示為：ΔV={0,0.25,0.5,0.75,1.0}、ΔSSOC={0,0.125,0.250,0.375,0.500}、I1={0,1.25,2.50,3.75,5.00}、I2={0,2.5,5.0,7.5,10.0}、I3={0,3.75,7.50,11.25,15.00}。

根據本文選取的隸屬度函數及模糊控制器輸入ΔV的論域范圍，可以計算得到如圖9所示的ΔV隸屬度曲線。對于輸入ΔSSOC，其隸屬度僅在論域范圍上有所區別，因此隸屬度曲線的形式與ΔV隸屬度曲線相同。對于模糊控制器的輸出，由于模糊集的設置與輸入相同，因此根據輸出論域修改隸屬度區間可以得到控制器輸出的隸屬度曲線。

圖9 輸入ΔV隸屬度曲線

本文所建立的規則庫如表2所示。

表2 模糊規則

模糊控制器可以基于輸入和模糊規則得到模糊化的均衡電流，對均衡系統進行控制還需要將模糊均衡電流輸入解模糊模塊進行模糊推理及反模糊化計算。模糊推理過程主要包含規則匹配、規則前提推理及運算求解輸出3 個部分，完成上述工作再經過反模糊計算即可得到精確的均衡電流。本文選用的反模糊化方法為重心法：

式中，Z為模糊集的重心位置；μI(Zk)為變量Zk的隸屬度；N為模糊推理的輸出量。

3.5 主動均衡驗證

基于設計的主動均衡硬件系統，本文建立了基于模糊控制的主動均衡控制策略并完成了模糊控制器的設計。本文搭建的主動均衡仿真系統包括12 塊串聯的三元鋰離子電池、3 層并行電感均衡結構以及11 個均衡單元，并對該系統在充、放電2 種狀態下的可靠性進行驗證。

為驗證主動均衡效果，保證主動均衡系統正常工作，本文在仿真開始時設置相差較大的電池初始SOC 值S，代表電池組當前處于非均衡狀態，各單體電池SOC初值S如表3所示。

表3 電池組SOC初值

電池組以0.5 C充電倍率工作于充電狀態時，基于主動均衡系統的電池充電均衡仿真結果如圖10所示。在電池組處于充電狀態時，BMS 根據電池組采集得到的單體電池電壓與SOC，評估電池組能量不一致性并判定當前狀態是否滿足均衡開啟條件，條件滿足時，對電池組進行主動均衡。在充電初期，由仿真結果可知，電池組中串聯的12個單體電池劃分為3 個均衡小組進行能量均衡。通過觀察可知，每一組電池中能量較低的電池均獲得了較大的充電電流。能量最低的1號電池以較長時間保持主動均衡系統允許的峰值充電電流進行充電，滿足均衡系統高效運行的預期與設計要求。隨著均衡時間的推移，平均能量最低的一組均衡單元率先達到均衡標準，然后該均衡小組中的單體電池作為一個整體同其他電池組進行能量交換，直到3組電池的能量都達到系統判定的均衡范圍。電池組充電1 700 s左右時，電池組單體電池能量基本一致，SOC最大偏差不超過0.005。同時，由于本文所提出的主動均衡控制策略基于模糊控制設計，在均衡初期，單體電池能量差異較大時，低能量單體電池SOC變化速率較快，隨著電池不一致性的減弱，均衡電流逐漸減小，可以達到在充電后期減少對外部充電電流的干擾的目的，間接提高了整個電池組的均衡效率。

圖10 電池充電均衡仿真結果

電池組以1 C 倍率工作于恒流放電模式時，基于主動均衡系統的電池組放電均衡仿真結果如圖11 所示。當BMS 檢測到電池組能量不一致性較大時，對電池組進行主動均衡控制。在均衡系統工作初期，電池組劃分為3個均衡小組同時進行均衡，平均能量較高的均衡小組可以較大電流對外輸出功率，且每一組電池中的高能量單體電池的放電能力大于該小組平均水平。本文所設計的系統可以通過這種方式減小電池組中單體電池能量的不一致性。通過觀察可知，1 號電池開始放電時能量最高，均衡初期放電電流最大，12 號電池能量最低，在均衡初期該單體電池的充電電流幾乎為0，滿足均衡系統高效運行的預期與設計要求。隨著均衡時間的推移，每一個均衡小組的單體電池能量不一致性逐漸較小，均衡電流也隨之減小。當3 個小組中電池能量差異較小時，3 組電池之間進行能量均衡。電池組放電1 450 s 時，電池組中所有單體電池能量處于近似相等水平，SOC 最大偏差不超過0.005。同時，本文所設計的控制策略能夠在電池組均衡后期減小整個系統的均衡電流，逐步增大低能量電池放電電流，既可以在均衡后期減小均衡電流對電池組功率輸出的影響，又可以保證單體電池不會持續大電流放電，保障電池組使用過程中的安全性。

圖11 電池放電均衡仿真結果

由上述分析結果可知，無論電池組處于充電或放電狀態，基于本文所提出的主動均衡拓撲結構及控制策略都能在兼顧電池組工作要求的同時在較短時間內完成電池組中能量不一致單體電池的均衡，所設計的主動均衡系統具有可靠性。

4 結束語

本文對48 V 電池系統進行集成設計，并根據電池組的結構設計了主動均衡拓撲結構，基于設計的主動均衡方案完成了主動均衡電路設計及參數計算。在此基礎上，完成主動均衡判據的選取，并以此完成了基于模糊控制器的主動均衡策略及計算均衡電流的模糊控制器的設計。在Python 環境下進行了主動均衡系統的仿真分析，結果表明，所建立的主動均衡系統能夠在電池組中單體電池能量差異較大的情況下達到能量均衡目的。

本文所設計的主動均衡仍存在無法覆蓋特殊能量均衡工況的局限性，后續將針對特殊工況進行精準分析與均衡設計。