電動汽車電池荷電狀態及電壓均衡的研究

樊世鑫，周莉

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽淮南，232001）

引言

電動汽車的出現，可以很好解決面前我們面臨的環境污染，資源短缺問題，電動汽車的發展是目前十分火熱的領域[1-3]。但是，制約電動汽車發展的仍然是電池，如何提高電動汽車的性能和使用壽命，歸根結底都是在電池上下功夫，本文章根據鋰電池的特性，設計出相應的電池管理系統，通過對荷電狀態的估算[4]，對電池均衡時的單體電池的充電起到參考作用，通過能量閉環控制[5]，使單體電池的充放電起到均衡作用，從而改善了電池的性能，提高了電池的使用壽命。

1 荷電狀態（SOC）的估算

電池組的荷電狀態SOC（State of Charge）就是電池組剩余的電量與額定容量之間的比值[6]，通過計算荷電狀態我們可以知道電池組的剩余電量以及電動汽車還可以行駛的最大里程，電池在充放電過程中難免會出現過充電或者過放電，計算出荷電狀態可以很好的避免出現此類問題，大大提高了電池組的性能和使用壽命。

荷電狀態的表達式如下[7]

SOC：荷電狀態，電池組剩余容量與額定容量之間的比值；Qc：電池組的剩余電量；Q：電池組的額定容量。

下面介紹對于Qc的計算，常用的估算方法有安時積分法，首先要測量出電池組的總電流的大小，把電流的值和充電或者放電的持續時間進行積分，通過積分計算就可以計算出充電或者放電電量，如果是充電，初始荷電狀態和積分值的和就是電池組的剩余電量；如果是放電，初始荷電狀態與積分值得差就是電池組的剩余電量。公式如下[10]

SOC0:電池組的初始荷電狀態；Q:電池組的額定容量；i:電池組的總電流，規定充電時為正，放電時為負；:充電或者放電時的效率；

從以上的計算方法我們可以比較容易獲得電池組的荷電狀態。

2 單體電池電壓均衡問題

通過對SOC的計算我們可以估計出每個單體電池的電量，文章是在SOC為二分之一時開啟電壓均衡系統，因為在充放電中期時，單體電池的電量差異才是最大的，所以SOC的值對單體電池電量平衡具有重要意義。電池均衡問題是電池管理系統中最關鍵的部分，電池組中難免存在單體電池電量不一致現象，當電池組在進行放電時，內阻大，容量小的單體電池會率先完成放電，這時，在串聯的電池組中充當一個電阻，嚴重電池組的放電效率，當電池組進行充電時，內阻大，容量小的單體電池會率先完成充電，這時候充電電源還未斷開，會使得單體電池過充電，嚴重損害了電池組的使用性能與壽命[8-9]，為了避免這種情況給電池組充放電性能帶來的危害，本文采用能量閉環控制模型，如下圖所示。

圖1中If是電池組進行放電時的電流，Uf是電池組進行放電時的電壓；Ici是第i只單體電壓進行電壓均衡時的充電電流，Uci是第i個單體電池充電時的充電電壓，很明顯，這個模型的獨特之處是對電池組的每一個單體電池都有一個獨立的充電設計，而充電來源于電池組的的放電能量，整個充電系統是一個獨立系統，不會受到外部的任何干涉。假設電池組均衡放電功率是Wf,單體電池的總充電功率是Wc，他們的大小計算如下[11]

如果把線路中的損失忽略不計，那么很明顯用在電量均衡上的放電功率的大小和單體電池充電功率的總和是一致的，由此，輸出功率在均衡電量時傳輸的能量平衡式為

對于單體電池的充電能量等于放電能量時，單體電池處于一種能量平衡狀態，對這個獨立的系統既不充電也不放電；當單體電池的放出能量大于充電能量時，此單體電池實際上是在給其余單體電池充電；當單體電池的放電小于充電能量時，這個獨立系統實際上是在給此單體電池充電。所以均衡結果就是，電池組中單體電池中能量高的流向能量低的單體電池，從整個獨立系統來看，各個單體電池之間都實現了能量均衡，即達到我們能量均衡的目標。根據上述理論分析設計出一種動態能量均衡措施，原理圖如下所示。

圖2 能量均衡原理圖

電路圖2的左側由兩個電容C1,C2和兩個IGBT，T1，T2組成逆變電路[12]，右邊的串聯電池組與逆變電路構成一個放電回路，整個設計系統可以使得電量均衡效率達到80%左右，根據單體電池的數量，相應的變壓器副邊繞組與單體電池數量相同，每一個單體電池的充電回路有兩個二極管組成的整流回路和一個并聯電容組成的濾波電路組成。系統的工作過程為，逆變電路將串聯電池組的直流電轉化成高頻的交流電送到變壓器的原邊，變壓器的N個副邊將交流電經過兩個二極管和并聯電容整流濾波后直接輸送到單體電池，由此來解決單體電池電量均衡問題。

電壓器N個副邊繞組的參數全部是一樣的，濾波電容的型號與大小也完全一致，所以，每一個單體電池的充電回路完全一致，充電電壓U全部相等,根據整流和逆變電路的工作原理，充電電壓U的計算公式如下[13-14]

U是每個充電回路的充電電壓，Ut是串聯電池組的總電壓，Us是的變壓器單個副邊繞組的匝數，Np是原邊繞組的匝數，d是逆變電路的占空比。上式其實表達的是電池組的總電壓與單體電池用于均衡電量的充電電壓的關系，我們可以改變變壓器原邊和副邊的繞組匝數比值改變充電回路的電壓大小，也可以改變占空比來調節單體電池充電電壓。雖然充電電壓大小一致，但是電量小的電池電動勢小，所以充電電流大，充電比例相應就會高。

3 實驗結果與分析

文章將通過實驗來證明此系統對單體電池電壓均衡的有效性，首先測量單體電池充放電時的電壓，計計算出相對應的誤差，然后在相同初始狀態下，測量出兩組充電中期單體電池電壓，一組設有電池管理系統，一組不設，以此來對比電池管理系統對電壓均衡的效果。

3.1 誤差檢測

單體電壓的測量不僅對于電池荷電狀態的估計有重要影響，而且對于均衡效果的分析十分重要，下面是單體電池電壓誤差的計算方法[15]

精測值是使用精密萬用表測量的單體電池電壓，下表就是充放電過程中測量的單體電池電壓值。

表1 充電過程中的數據采集

表2 放電過程中的數據采集

根據實驗結果分析得，充放電過程中最大電壓誤差是13mv，精度是0.38%，平均誤差是6.375，平均精度是0.184%，可以說系統的測量精度已經很高了，符合我們的要求。

3.2 均衡效果實測

除了有無電池管理系統之外，其他因素全部等同的情況下，對八個單體鋰電池在充電中期進行電壓的測量，即SOC值是總電量的二分之一，充電過程中，在有電池管理系統下采集的數據分別是：3642、3638、3645、3630、3635、3648、3652、3638;在無電池管理系統下采集的數據分別是：3628、3635、3682、3650、3623、3668、3669、3647。折線圖如下所示：

圖3 充電時兩種充電方式下的電壓對比

圖中可以看出，在有電池管理系統下，單體電池最高電壓3652mv，最低3638mv，差值為 14mv，各單體電壓比較均衡；無電池管理系統條件下，單體電池最高電壓3682mv，最低3628mv，差值為54mv，各單體電壓差值較大。

在放電過程中，在有電池管理系統下采集的數據分別是：3223、3229、3230、3217、3219、3225、3226、3221;在無電池管理系統下采集的數據分別是：3231、3242、3237、3245、3220、3211、3215、3252。折線圖如下所示：

圖4 放電時兩種充電方式下的電壓對比

由于是在在充電和中期進行采集的，隨著充電的繼續，無電池管理系統的電池組的壓差會越來越大，嚴重損壞了電池的性能。

使用了電池管理系統后，在電池均衡模塊作用下，各個單體電池電壓接近，不會出現較大的壓差起伏，對于電池使用性能和耐久性有重要的意義。

4 結束語

本文主要針對電動汽車電池管理所面臨的兩大難題，分別是荷電狀態的估算以及電壓均衡，提出相對應的解決方法，針對鋰離子的電池特性，在SOC的估算上面使用安時積分法，有效的計算出荷電狀態，電壓的均衡采用能量閉環控制的新思路，并通過實驗結果證明了這種方法的可行性。

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