蓄電池組能量均衡控制及SOC估算方法研究

張銀娟　王永科

摘要：針對蓄電池組中充電特性存在不一致性的問題，從均衡電路拓撲設計和均衡控制策略方面，提出一種基于儲能介質的能量轉移型均衡方案。通過試驗驗證，該充電控制策略及SOC估算方法簡單有效，可為后續電池管理平臺應用提供理論依據。

Abstract： Aiming at the inconsistency of charging characteristics in batteries， an energy transfer equalization scheme based on energy storage medium is proposed from the aspects of topology design of equalization circuit and equalization control strategy. The experimental results show that the charging control strategy and SOC estimation method are simple and effective， which can provide a theoretical basis for subsequent battery management platform applications.

關鍵詞：蓄電池組;數學模型;均衡控制;能量轉移

Key words： battery pack;mathematical model;equilibrium control;energy transfer

中圖分類號：TM912 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）23-0204-03

0 ?引言

經常用小容量單體電池組成大的電池組，單體電池間在制造和使用過程中有一定的充電特性差異，隨著環境溫度的變化以及過充電等不良的使用，單電池反映出來的特性千差萬別。這種電池組的充電特性取決于性能最差的單體電池，這種電池組間單電池差異不僅影響電池組使用特性，還會導致電池組的使用壽命降低，甚至遠遠低于預期使用壽命。同時隨著電池組充電次數的增加，這種單體電池的充電特性不一致性將愈趨明顯。從均衡控制電池組能量入手，使得電池組單體電池達到充電特性均衡一致的狀態，保證電池組正常使用特性和預期壽命[1-4]。

電池均衡問題的本質是使各單體電池間儲存和釋放的能量達到均衡，雖然電池的外特性可用電壓值表示，但是不能精確反映出電池的荷電狀態（State of Charge，SOC），提出一種新型的基于能量轉移的電池組充電均衡控制策略及SOC估算方法，設計一套以蓄電池作為能量轉移載體的功率回路，均衡的判據選擇單體電池的蓄電池荷電狀態。

1 ?蓄電池模型及SOC的計算方法

將電池模型通過可控電壓源和內阻的形式表達[5-6]，確定電池模型表達式如公式（1）-（3）：

公式（1）-（3）中：E0為電池電壓常數值;K為極化電壓;Q為電池額定容量;A為指數區間電壓降落值;B為指數系數;q為電池放出的容量。

SOC的計算方法如公式（4）和（5）

公式（4）中：SOC為蓄電池當前荷電狀態;為蓄電池初始荷電狀態;i為電池充放電電流;Q為蓄電池額定容量。

在實際應用過程中，考慮對電池SOC影響較大的庫倫效率、溫度、電池自放電，提出如下基于安時積分的系數修正公式：

公式（5）中：SOC為蓄電池當前荷電狀態;為蓄電池初始荷電狀態;i為電池充放電電流;Q為蓄電池額定容量;K1為庫倫效率系數;K2為溫度系數;kdis為自放電系數

2 ?電池組均衡控制策略

電池組主動均衡控制策略分為耗散型和轉移型。耗散型均衡方法結構和控制簡單，是目前廣泛使用的方法，但是該方法對于大容量電池組，需要配備大電流、大功率電力電子器件，能量耗散次數多、控制電路復雜、開關切換頻繁等因素影響均衡效果;同時能耗消散過程產生溫升等安全問題是需要重點解決的問題。

文中采用能量轉移型的主動均衡控制策略，電池組均衡控制系統內部設置載體電池，通過載體電池實現電池組內部能量雙向轉移，本質上將單體電池間的儲能得到均衡，以達到電池組單體電池的均衡充電。

2.1 均衡控制原理

單體電池SOC檢測過程和電池組均衡過程是電池組均衡控制系統工作的兩個基本狀態。

單體電池SOC檢查狀態時通過檢測電池組各單體電池SOC，區分出電池組各單體電池SOC的大小，估算電池組平均有效SOC值。當單體電池SOC檢測過程完成，均衡控制系統隨即進入電池組均衡過程。

電池組均衡過程是兩個能量轉移的過程，分別為載體電池充電狀態和載體電池放電狀態。

電池組均衡過程先由單體電池SOC大的電池向載體電池放電，即是將SOC大的電池能量轉移到載體電池。當載體電池充滿或能量轉移完成時，載體電池停止充電開始放電，即載體電池向單體電池SOC小的電池充電。當載體電壓下降到設定值或能量轉移完成時，此次電池組均衡過程完成。

單體電池SOC檢測過程和電池組均衡過程交替循環工作，通過轉移能量降低或消除單體電池間SOC的差值，最終完成電池組的均衡控制。

2.2 系統電路拓撲結構

電池組均衡控制系統電路拓撲結構如圖1所示，B1-B4代表單體的電池組;B5代表載體電池，需要完成能量轉移時的充電，L組和R組為兩級開關，都為升降壓斬波器。

SOC檢查狀態時開關都處于斷開狀態，定時估算各單體電池SOC，并找出電量最大和電量最小的電池單體。當最大電量偏差大于限值時，即啟動均衡過程，進入均衡狀態。

均衡狀態時，先由SOC大的電池向載體電池B5放電，當能量轉移到限值或載體電池充滿時即停止，之后再由載體電池向SOC小的電池單體充電，當能量轉移到限值或載體電池的電壓下降到限值時即停止。此處轉移能量計算如式（6）所示。

公式（6）中？駐SOC為最大單體容量值與平均容量值的差值，Q為單體蓄電池的額定容量，IB5為B5的充電電流，t為充放電時間。

能量轉移型主動均衡控制策略電路工作原理如下：Bm向載體電池充電時開關Lm、Rm導通，T2完全關斷，T1周期性的導通、關斷。當Bm的容量下降到電池組的平均值或載體電池充滿時，開關Lm、Rm處于斷開狀態，T1完全斷開，載體電池充電完成。載體電池向Bn放電時，開關Ln、Rn處于閉合狀態，T1完全斷開，T2周期性的閉合、斷開。當Bn的容量上升到平均值或載體電池的電壓量下降到放電終止電壓時，開關Ln、Rn處于斷開狀態，T2完全斷開，載體電池放電完成。

3 ?試驗驗證

采用2節鋰電池串聯，單體額定電壓3.2V，容量50Ah。載體電池額定電壓2.0V，容量10Ah。

當單體電池間SOC最大差值大于1%時啟動均衡。單體電池間SOC最大差值不大于0.1%時結束均衡。以電池組放電電流方向為正，設置充電電流為10A，均衡載體電流為5A，放電電流為10A。

電池組在充電階段中的均衡過程，取單體電池1的初始荷電容量SOC1=20.9%，單體電池2的初始荷電容量SOC2=20%。圖2-圖4表明，在線試驗充電140s后，SOC1=21.65%，SOC2=20.65%，達到啟動均衡的條件，均衡啟動，單體電池1開始以5A電流向載體電池放電，在320s電池1停止均衡放電，載體電池開始向單體電池2以5A電流均衡充電，在500s時SOC1=23.04%，SOC2=22.94%，達到均衡停止的條件，均衡結束。

4 ?結論與展望

一種能量轉移的均衡控制策略及SOC估算方法，以單體電池的SOC作為電池組均衡的判據，設計均衡拓撲電路。通過對充電階段的均衡進行了試驗驗證，該充電控制策略及SOC估算方法簡單有效，可以防止電池組過充電，為后續開發電池管理系統提供理論依據。

參考文獻：

[1]馬勇剛，劉祖明，姚朝暉.光伏系統蓄電池組不均衡性的故障分析及排除[J].可再生能源，2010，28（2）：98-101.

[2]王占國，文鋒，盛大雙.新型充電均衡一體化電池管理系統研究[J].電子測量與儀器學報，2012（5）：431-436.

[3]桂長清，柳瑞華.蓄電池內阻與容量的關系[J].通信電源技術，2011，28（1）：32-34.

[4]董博，李永東.基于剩余容量估算的快速蓄電池均衡[J].清華大學學報（自然科學版），2012，52（3）：374-379.

[5]劉征宇，孫慶，馬亞東.基于Buck-Boost電路的能量轉移型均衡方案[J].電機與控制學報，2017（9）：73-79.

[6]易鴻.一種基于SOC的主動均衡電池管理系統設計[J].電子設計工程，2019（6）：100-103.