電動汽車動力電池均衡系統的設計和試驗

陳 展，周慶輝，邱星慧，劉李艷

(北京建筑大學機電與車輛工程學院城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室，北京100044)

電動汽車動力電池均衡系統的設計和試驗

陳 展，周慶輝，邱星慧，劉李艷

(北京建筑大學機電與車輛工程學院城市軌道交通車輛服役性能保障北京市重點實驗室，北京100044)

針對成組前電池單體初始性能差異和使用過程中差異的放大等不良問題，考慮到主動均衡和被動均衡的優缺點，提出了一種電池單體之間采用主動均衡，電池包之間采用被動均衡的新均衡方案。系統以單體電池端電壓和電池包端電壓作為控制目標參數，根據電池單體的ε值和電池包的δ值與設定的閾值進行比較來控制場效應開關管和三極管的開閉，進而實現主動均衡和被動均衡。實驗結果表明，均衡系統在充電、放電兩種狀態下都能夠起到均衡效果，從而說明了均衡系統的有效性，達到了設計的目的。

動力電池組；主動均衡；被動均衡；均衡系統

Abstract:Due to the difference of initial performance of single battery and the enlargement of the difference in use process,the advantages of active equalization and disadvantages of passive equalization were taken into account.A new type vehicle power battery balance system,which combined of inter-cell active balanced circuit and battery peak passive balanced circuit,was presented.The system took the single cell terminal voltage and the voltage of the battery pack as the control target,compared the ε value of the battery pack and the δ value of the battery pack with the value of threshold to control the the opening and closing of field effect transistor and bipolar junction transistor to realize the active balance and passive balance.The experiment results show that equalization system in two states of charging,discharge can play a balanced effect.The validity of the equilibrium system was illustrated and the purpose of design was achieved.

Key words:vehicle power battery;active balance;passive balance;balance system

動力電池作為電動汽車的動力來源，由于電池的容量比較低，不能夠滿足汽車動力系統的要求，因此需要將電池單體串聯，形成電池組以提高供電電壓和存儲能量。由于電池單體自身制作工藝等原因，不同單體之間存在著差異，這些差異會導致串聯的電池組每個電池單體之間充放電電壓的不同，產生不良的影響，甚至導致人身安全，所以需要通過均衡技術來減小這種差異。

均衡技術大致分為主動均衡和被動均衡。被動均衡主要為電阻放電式均衡，通過電阻消耗電量，產生熱量來換取電池的均衡，這種均衡結構簡單，放電速度快，可多個單體同時放電，但是只能放電不能充電。主動均衡主要是電感式均衡、電容式均衡、雙向DC-DC變流器均衡和多繞組變壓器均衡等。電感式均衡可以實現相鄰電池單體之間的能量同時傳遞，可以減少均衡時間，但是只能在相鄰之間傳遞能量，結構復雜。電容式均衡控制簡單，可以實現充電和放電的均衡，但是均衡速度較慢。雙向DC-DC變流器均衡成本較高。多繞組變壓器均衡設計復雜，而且價格較貴，需要根據不同的電池單體數量改變繞組個數，不易于電池的擴展[1－4]。

綜合上述均衡方法的優缺點，本文提出了一種主動均衡和被動均衡融合的方案，即采用電阻消耗和電感儲能的均衡方法，這個方案不僅有被動均衡的高效，還有主動均衡的能量無損，可有效提高均衡效果，對電動汽車動力電池的均衡研究有一定的參考價值。

1 均衡控制策略分析

在實驗中，端電壓是最容易測量的，也是電池單體之間能量差異的直接體現，所以本文選取電池的端電壓為控制參考目標。通過式(1)可得所有電池包的電壓平均值，將VAb代入式(2)得到每個電池包的δ值，以0.15作為被動均衡的閾值，若δ≥0.15則進行被動均衡。通過式(3)可得電池單體平均電壓為VAd，將VAd帶入式(4)，可得到每個電池的ε值，以0.1作為主動均衡的閾值，若ε≥0.1時，則進行主動均衡。

式中：VAb為所有電池包的電壓平均值；VBi為電池包的電壓；N為電池包的個數

式中：VAd為單體電池的電壓平均值；Vbi為單體電池的電壓；n為電池的節數。

均衡系統工作流程如圖1所示，首先進行系統及端口的初始化，其次利用采集板來采集電池單體和電池包的端電壓，傳送到控制器進行分析，計算出每個電池包內電池單體和所有電池包的平均電壓，然后與設定的閾值進行比較，如果小于設定的閾值，則返回電壓采集，控制器繼續進行計算和比較，若不小于設定的閾值，那么控制器將由PWM驅動電路控制場效應管的開閉和控制三極管的導通來實現主動均衡和被動均衡。設定的閾值要根據實際情況來設定，閾值越小說明周期越長，相反，閾值設置得越大，周期越短，但是均衡效果越差。

圖1 均衡系統工作流程圖

2 均衡系統設計

2.1 均衡控制系統結構

均衡控制系統結構如圖2所示，整個系統包括均衡模塊、鋰電池單體、鋰電池包、電壓采集電路及控制器，PTC加熱器，充電機等。均衡電路在靜置、充電、放電的過程中，都會存在電池單體之間電壓和電池包之間電壓不一致的問題，通過電壓采集模塊、控制器模塊、均衡模塊來實現電池電壓的均衡，減小電壓不一致帶來的損害。

圖2 控制系統結構

2.2 被動均衡理論分析

電阻消耗均衡法是通過與單體電池連接的電阻，將高于其他單體電池的能量釋放出去，以達到各單體的均衡。在本文設計中將n組電池包串聯，如圖3所示，每個電池包通過一個三極管Q與一個電阻R相連。在動力電池組充電時，當某個電池包的電壓高于設定的均衡閾值時，則三極管在控制器的指示下導通，實現分流，耗散能量來實現均衡[5]。

圖3 被動均衡原理圖

2.3 主動均衡理論分析

電感均衡法是相鄰兩個電池單體之間通過MOSFET管與一個電感相連，如圖4所示，控制器通過IO口電平狀態的變化，輸出控制信號經由驅動電路驅動場效應開關管開啟，進行主動均衡，直到電壓與平均值之差小于設定閾值。即若電池單體容量B1大于B2時，控制器指示M1導通M2斷開，B1給電感L1充電，然后M1斷開，M2閉合，此時電感將儲存的能量釋放給B2，實現電池單體間的均衡，為了保證M1、M2不同時導通，會陷入死區，在死區的時間里，電感L1通過B2、D2續流，加入了續流二極管。同時B2也可以給B3傳遞能量，一直到Bn，直到所有的電池單體能量相同為止[6－10]。

圖4 主動均衡原理圖

根據基爾霍夫定律可求得電路中的電流，然后可求出電感所存的能量。當B1電壓大于B2時，控制器指示M1導通，M2斷開，B1給電感充電。

整理可得：

式中：電路內阻為R0；t為電感充電持續時間；i為均衡電流；L1為儲能電感；VB1為電池電壓。

當電感充完電，M1斷開，M2導通，電感L1給B2充電。

整理可得：

式中：Vf為二極管的導通電壓，電感電流初始值i0為上一過程的電流終值。

3 主要原件的選擇

3.1 二極管

電路中二極管的作用是為了保證相鄰兩個MOSFET管不同時導通，否則會陷入死區。應具備的特性是導通阻抗小，減小電能消耗，同時降低系統的溫升，導通壓降小等等。本文選擇的二極管型號是SS13。

3.2 電感參數

由于電感值越大，產生的電流紋波越小，但是過大的時候又會使電感的響應速度變慢。由經驗式得式(9)：

式中：V為電池電壓的最大值，取4 V；D為MOSFET開關管的占空比，取30%；IL為電感設計的最大均衡電流值，取2 A；由式(9)得，L=175 μH。

3.3 MOSFET管

MOSFET管的選擇可從漏源極擊穿電壓、持續漏極電流、開關延時和導通電阻等方面來選擇，為了減少回路中的功率損耗及防止MOSFE管發熱，要選擇導通內阻比較小的MOSFET管。本文選擇的場效應管型號為AUIRFB8405，頻率為12 kHz，占空比為30%。

4 實驗測試與分析討論

本文選取9節鋰電池單體為例，然后組成三個電池包，平均每個電池包3個鋰電池單體。每節鋰電池的標準電壓為4.0 V，過充電壓為4.2 V，放電截止電壓為2.6 V。

實驗的設備主要有QW-305D直流電源(輸出電壓為0～30 V，輸入電壓為220 V±22 V)，NBT電池充放電儀器，型號為BTS400400C1(0～400 V±0.1%FS+0.05%RD)，DS-6062 數字示波器，PTC加熱器，型號為MZ9-L35W6T2.1V12T60，萬用表，電壓采集板，均衡電路板，開關等。

4.1 充電狀態

首先利用NBT電池充放電儀器使電池單體電壓穩定在3 V。然后將電池包、QW-305D直流電源、均衡模塊、電壓采集板、開關串聯起來給電池充電，30min之后測量電池單體和電池包的端電壓并記錄。利用NBT電池充放電儀器對電池單體進行恒流放電，使每個電池的端電壓為3 V，停止放電。將電池包、QW-305D直流電源、開關串聯進行充電，30min之后測量電池單體和電池包的端電壓并記錄，見表1所示。

表1 電池單體和電池包端電壓

通過充電實驗可知，均衡系統起到了均衡作用，均衡后較未均衡電池單體之間以及電池包之間電壓的差值明顯縮小，減小了由于單體電池初始性能差異和使用過程中差異的放大所帶來的影響，達到了均衡的效果。由圖5可知，未均衡之前，三個電池包的電壓極差為0.829，通過均衡之后，電池包的電壓值折線較未均衡前明顯趨于直線，差值明顯減小，說明起到了均衡的效果。從圖6電池單體均衡和未均衡的折線對比，可以看出未均衡的時候，電池單體的電壓極差為0.308，電池單體之間存在很大的差異，通過均衡之后，電池單體之間的極差是0.263，差異明顯減小，均衡后的折線較均衡前的折線明顯趨于直線，并且通過電池單體4、5、6均衡和未均衡的電壓變化可以看出，未均衡的時候，單體4電壓高于單體5和單體6，通過均衡之后，單體電壓4小于單體5和單體6，而且差異也減小了，說明實現了能量的傳遞，起到了主動均衡的作用。

圖5 電池包端電壓均衡與未均衡對比

圖6 電池單體端電壓均衡與未均衡對比

4.2 放電狀態

首先利用NBT電池充放電儀器使電池單體電壓穩定在4 V。然后將電池包、PTC加熱器、均衡電路板、電壓采集板、開關串聯，利用PTC放熱進行電池放電，20min之后測量電池單體和電池包的端電壓并記錄。利用NBT電池充放電儀器對電池單體進行恒流充電，使每個電池的端電壓達到4 V，停止充電。將電池包、PTC加熱器、開關串聯進行放電，20min之后測量電池單體和電池包的端電壓并記錄，如表2所示。

表2 電池單體和電池包端電壓

通過放電實驗可見，圖7中均衡之后的電池單體之間的端電壓極差明顯減小，均衡之后的電壓極差為0.125，未均衡的極差為0.342。從均衡和未均衡的電壓對比也可見，均衡之后，電池單體的端電壓折線圖較未均衡的時候明顯趨于直線。每個電池包內電池單體在均衡和未均衡兩種狀態下電壓的變化也可以說明實現了能量的轉移，起到了主動均衡的作用。從圖8可見，均衡之后的電池包之間的電壓差異也明顯減小，說明起到了被動均衡的效果。由于充電時間相同，采用了均衡系統的充電實驗會因為被動均衡的電阻消耗和主動均衡的電路內阻消耗而損失一部分的電能，解決這個問題的方法就是盡量選擇內阻較小的電路元件。

圖7 電池單體端電壓均衡與未均衡對比

圖8 電池包端電壓均衡與未均衡對比

5 結論

本文針對電動車動力電池成組前電池單體初始性能差異和使用過程中差異的放大等不良問題，提出了一種主動均衡融合被動均衡的方案，該方案不僅有主動均衡能量傳遞的優點，而且還有多個電池包可以同時放電的優點。該均衡系統以端電壓為控制參考目標，通過控制器來實現MOS管及三極管的通斷，從而達到均衡系統工作的目標。通過實驗測試可以看出，均衡系統在充電、放電兩種狀態下都能夠起到均衡的效果，使電池單體之間和電池包之間的端電壓的差異明顯減小，從而證明了該系統的有效性。該系統有效地解決了電池由于制造和使用等原因造成的SOC不一致性的問題，延長了電池的使用壽命，減小了電池的使用安全隱患，對動力電池的均衡系統研究有一定的參考價值。

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Design and test study on balance system of electric vehicle power battery

CHEN Zhan,ZHOU Qing-hui,QIU Xing-hui,LIU Li-yan
(Beijing Key Laboratory of Performance Guarantee on Urban Rail Transit Vehicles,School of Mechanical-Electronic and Vehicle Engineering,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1358-03

2017-02-14

北京市教育委員會一般科技項目(sqkm20161001-6017)

陳展(1990—)，男，江蘇省人，碩士生，主要研究方向為電動汽車電池管理系統。