主動均衡技術的系統設計及應用效果研究

宋金龍

摘 要：動力電池組在使用過程中，電池性能的差異性會不斷惡化，這不僅降低了動力電源的使用壽命，也大大降低了電動車輛的續航里程，針對這一問題，文章通過開關矩陣形成多通道雙向DC/DC均衡回路，設計出聯合變量的主動均衡控制系統，在此系統上進行了大量的試驗，分析與驗證了其主動均衡技術的有效性與可行性。

關鍵詞：續航里程；開關矩陣；多通道雙向DC/DC；聯合變量；主動均衡控制系統

引言

自2013年國內鋰電行業呈現出繁榮景象，大量的鋰電池通過串并聯組成的鋰離子動力電池組為車輛行駛提供動力。鋰電池在充放電平臺電壓非常穩定，一旦接近充放電末端電壓急劇變化，所以動力電池在充電后期與放電后期電壓一致性會惡化。隨著動力電池組的使用，各節單體電池的電量不一致性也會越來越大。按照“木桶原理”，電池組充放電的容量取決于單體電池容量最小的。所以鋰離子動力電池組一致性越差，可使用的能量就越少，造成動力電池組充不滿、放不完的尷尬局面。主動均衡技術正是通過電池間進行能量的轉移而提高電池組一致性，不僅在原有基礎上增加車輛的續航里程，而且也增加了動力電池組的使用壽命。

1 主動均衡控制策略

由于鋰電池自身的化學性質決定了鋰電池電壓不能太高，也不能太低，否則電池內部產生不可逆的化學反應致使電池報廢。（以某企業鋰電池為例），在充電過程中，出現串聯電池電壓上升至3.75V，動力電池組充電截止；如果這是動力電池組壓差比較大，那么肯定就有一些電池還沒有充滿。電動車輛在行駛過程中，動力電池組放電，如果有單體電池率先降至2.5V，動力電池組將降至斷開，不再給車輛提供能量。同理，放電過程中有單體較快速降至2.5V，而其余絕大部分電池還在3.0V以上，還有相當能量無法被使用。所以主動均衡技術以單體電壓作為控制變量，又由于在電池性能劣化后，往往在充放電平臺期的時候，電池電壓高的電池有時候并不一定是容量大的電池，所以把電池容量作為輔助控制變量對電壓均很作為補充很有必要。以容量與電壓作為控制變量的主動均衡聯合控制原理框圖如圖1所示。由于單體容量無法測得，我們采用神經網絡通過學習擬合電池容量。采用三輸入一輸出，電池電壓、電流、電池溫度為輸入，單體電池容量為輸出。

2 主動均衡系統實現

本設計的雙向集中式主動均衡系統是與傳統BMS采集監控系統為一體，在電池極柱上增設了主動均衡線，以構建主動均衡回路。圖2通過開關矩陣可以實現雙向多通道均衡，多節電池之間充電或者放電能力。圖2中的主動均衡回路具體由電池動力組、均衡矩陣開關、雙向DC/DC模塊、12V直流母線五部分組成。黑色線框屬于電池均衡模塊，以圖中的箭頭為例，說明了第7串電池通過12V直流母線對第4串電池進行充電。其中，雙向DC/DC模塊與接電池組一端是2A的恒流源、接直流母線一端乃是電壓源。6個電池為均衡通道，每個通道最多只有1支電池進行主動均衡充電或者放電，均衡工作周期為65S，具體為均衡1min后5S停止均衡，這5S重新判斷均衡是否開啟以及根據均衡策略通過均衡矩陣開關形成相應的均衡回路。

3 主動均衡技術實驗及應用效果

均衡系統是在24串60Ah的電池組成的14個電池箱基礎上，采用1C恒流充轉恒壓充與1C恒流放電進行試驗。未加均衡前，以此實驗步驟獲取初始容量以及初始末端壓差等指標，加裝主動均衡后，對同一箱子以進行多次同樣的實驗。圖3、圖4分別反應了主動均衡前后容量對比以及末端放電壓差對比。從實驗結果可以看出，由于主動均衡系統的介入，電池一致性均得到大幅提高。電池的離散型取得比較好的控制，每一箱電池的容量也都有所增加。

4 結束語

文章采用單體容量與單體電壓作為聯合變量進行控制，設計多通道雙向DC/DC主動均衡產品，并進行了大量的實驗，從中實驗數據中可以看出，隨著充放電均衡，電池箱容量得到提升，即每次充足電后的可放出容量增加了，同時出充/放電電壓差異也減少。在鋰電行業繁榮的背景下并結合鋰電池自身性能，主動均衡技術將擁有很大的市場潛力。

參考文獻

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