一種針對串聯電池組帶電不均衡的均衡技術

，，，，，

(長安大學電子與控制工程學院，陜西 西安 710064)

0 引言

電動汽車以綠色環保、能源效率高和高性價比等優勢快速發展，已逐步取代傳統的燃料汽車在汽車市場中所占地位。現如今多數電動汽車采用的動力電池系統都是由單體電池串并聯后打包而成。電池串聯容易在充放電過程中造成電池荷電狀態不均衡，電池內部結構因此發生變化，長期以來會造成單體電池短路或斷路。電池短路產生大量的熱，若無法及時散熱可能導致電池的自燃。電池斷路則會使所在串聯支路的所有電池失去效能，整個動力電池系統的效能大打折扣。因此，消除動力電池系統的帶電量不一致性對電動汽車整體性能有著至關重要的作用[1-2]。

目前，國內外針對于串聯電池帶電量不一致現象的研究已經取得很大成果[3-5]。針對分析串聯電池組中出現的帶電量不均衡狀態，提出了一種新型的均衡技術。通過串聯電池組中電池的帶電量，采用均方差確定不均衡狀態，進而確定均衡控制策略，并通過電感所組成均衡電路實現電池帶電量的再分配，快速消除串聯電池組的帶電量的不一致性。

1 電池連接結構及不均衡狀態

1.1 電池連接結構

電動汽車安裝的電池系統一般由成百上千的單體電池串并聯而成，電池串聯后所組成的電池組能夠增加電池系統的輸出電壓，電池和電池組并聯則能夠增加電池系統的輸出電流，所以電池系統要根據實際所需輸出電壓和輸出電流設計合理的串并聯結構[6]。目前，電池系統的根據連接方式不同可分為3大類，分別為先串后并型、先并后串型以及串并混合型，具體結構如圖1所示。

先串后并型是由多個單體電池串聯成電池組后，再由電池組并聯形成電池系統，這種結構形式相對簡單，且方便對各個單體電池進行檢測。然而，串聯支路卻容易因某一個單體電池失效使得整條串聯支路的電池無法發揮作用，可靠性和穩定性相對較差。

先并后串和串并混合的結構不會因為某一個單體電池失效間接導致其他電池失效的情況出現，雖然同時提高了連接電路的復雜程度，但是可靠性和穩定性相對增強。因此，市場上大多數電動汽車的動力電池系統多采用先并后串和串并混合的結構形式。

圖1 電池系統結構示意

電池并聯會因自身的電路特性而發生自均衡現象，故不需要通過均衡技術消除帶電量的不均衡。電池串聯時充放電電流雖然一致，但是可能最初帶電量本身就會存在差異，若長時間不消除這種差異會使得差異更加明顯，因此當出現帶電量不均衡時需要通過外部添加的均衡電路重新分配電量消除不一致性。現在動力電池系統通常采用先并后串和串并混合的結構，并聯單元內的單體電池會進行自均衡，但是由并聯單元組成的串聯支路上的各并聯單元卻無法進行自均衡，需要外部均衡電路來消除帶電量不一致性。將并聯單元等效成一個大容量電池，可將先并后串和串并混合的結構中串聯支路的視為單體電池串聯支路進行研究。

1.2 電池帶電量不均衡狀態

經研究分析發現，電池帶電量不均衡共可分為4種，即：一高一低型，一低多高型，一高多低型和參差不齊型。

一高一低型是串聯電池組中存在1個帶電量相對較高的電池和1個帶電量相對較低的電池，其余電池的帶電量基本一致。一低多高型是串聯電池組中大部分電池的帶電量基本一致，僅有1個電池的帶電量略低于其他電池的帶電量。一高多低型串聯電池組中大部分電池的帶電量基本一致，僅有1個電池的帶電量略高于其他電池的帶電量。參差不齊型是串聯電池組中不存在大多數電池帶電量基本一致的情況，多數電池的帶電量的大小分布在所有電池帶電量的平均值兩側。

現有均衡電路的針對性較強，通常對某一種不均衡狀態的均衡效果非常好。經典的飛度電容電路能夠通過電容快速將能量高的電池的電能轉移到能量低的電池的電能上，非常適合串聯電池組出現一高一低的不均衡狀態。經典的電感型拓撲均衡回路能夠通過電感將相鄰電池的電能進行快速轉移，非常適用于串聯電池組出現參差不齊的不均衡狀態[7]。因此，需要設計一種均衡電路能適用于各種不均衡狀態。

2 本文所提出的主動均衡技術

2.1 均衡判斷

動力電池系統中的單體電池的帶電量是無法直接實時測量的，因而無法根據測量所得的帶電量進行均衡判斷。通常判別依據是能夠反應電池電量的相關物理屬性，如開路電壓值、端電壓值，或者通過相關物理屬性間接估計出帶電量并以此作為判別依據。目前，研究者們共提出了3種判別依據，即開路電壓判據，端電壓判據和SOC判據[8]。

電池的開路電壓與電池的帶電量是呈非線性正相關的，能夠估測電池的帶電量，不會產生較大誤差，但是電池在電路中使用時很難測到實時的開路電壓值。此外，某些電池的開路電壓與帶電量的對應關系曲線在帶電量處于20%～80%之間時十分平坦，即使開路電壓出現微小誤差，所估計帶電量也會出現較大偏差。因此，以開路電壓作為判別依據的方法只適用部分電池實驗驗證，無法應用于工業生產上。

電池的端電壓值同樣與電池的帶電量呈正相關，端電壓是電池連接在電路中工作時所測的電池電壓值，此時無法單靠端電壓反應電池的帶電量，需要考慮電池電流、電池溫度和電池極化內阻等多種因素。僅僅依據端電壓去估計電池帶電量時，容易出現較大的估計誤差值，所以判別依據也很少使用。

電池的SOC是表示電池剩余電量百分比的一個參數，通過電池電壓、電流和內阻等物理量，采用神經網絡、卡爾曼濾波等方法所得到的，能夠實時準確反應電池的帶電量狀態，滿足實際功能工業技術的需求，本文也采用電池SOC作為均衡判斷的依據。當測量估算得到電池SOC值后，計算電池組的SOC均方差值判斷串聯電池組的帶電量是否出現不一致，具體表達式為

(1)

Ssoc為N個單體電池所組成的串聯電池組的SOC 均方差值;SOCavg為N個單體電池所組成的串聯電池組的SOC平均值;SOCi為第i個單體電池的SOC值。

SOC均方差值的大小能夠反應電池組的總體的離散程度，當SOC均方差值大于設定的閾值時，表明電池組的狀態出現不均衡，需要進行電量均衡。SOC均方差值的設定閾值與串聯電池組中的電池容量和電池數量相關，閾值設定要合理，過大則不能有效消除一低多高型和一高多低型的不均衡狀態。

通過SOC均方差值判斷得出串聯電池組出現帶電量不均衡時，還需要對單體電池的SOC值進行進一步的數據分析，判斷是哪一種不均衡狀態，若為一高多低型和一高一低型不均衡狀態，還需知道具體的某一節電池帶電量偏高，某一節帶電量偏低，圖2顯示了判斷不均衡狀態的流程。

圖2 不均衡狀態判別流程

首先，計算出除去串聯電池組中一節單體電池后，剩余N-1節電池的SOC均方差值，依次除去不同的單體電池并計算可得到N個SOC均方差數據。

若N個SOC均方差數據中有a(a>2)個以上的SOC均方差值未超過了預設閾值，對應有a個電池的SOC值偏高或者偏低，說明串聯電池組的電池SOC值離散程度較高，不均衡狀態為參差不齊型。

若計算得到的N個SOC均方差數據，有2個SOC均方差值未超過了預設閾值，對應有2個電池的SOC值偏高或者偏低，若這2節電池SOC值相差較大，不均衡狀態為一高一低型，否則視為參差不齊型。若計算得到的N個SOC均方差數據，僅有1個SOC均方差值未超過了預設閾值，對應有1個電池的SOC值偏高或者偏低，若SOC值偏高則為一高多低型，若SOC值偏低則為一低多高型。

2.2 實施均衡方案

在均衡判斷階段確定不均衡的狀態后，需要進行均衡處理操作，均衡操作會因不均衡狀態的不同而有所差異，為了詳細說明這個過程，需要結合主動均衡電路圖，如圖3所示。

圖3a中電路主要包括了6個型號相同的單體電池所組成的串聯電池組以及由電感所組成的5個相鄰均衡單元，2個SPDT以及1個電容。圖3b是圖3a中均衡單元放大后的電路結構，由2個電感和4個MOSFET組成。

圖3 主動均衡電路結構和放大后的均衡單元

本文所提出的主動均衡電路是在Thanh Hai Phuang于2014所提出的基于電感的雙路交錯式均衡電路的基礎之上改進的，并且結合了飛度電容均衡電路的優點，能夠有效針對各種不均衡狀態。基于電感的雙路交錯式均衡電路能夠對相鄰2個電池的電能快速轉移，通過削峰填谷式均衡方法快速消除電池帶電量不一致，非常適合參差不齊型不均衡狀態，對一高多低和一低多高電路也有不錯的均衡效果。然而，當出現一高一低型不均衡狀態時，只能通過均衡單元之間進行電能的間接轉移，不能夠實現電量高的電池和電量低的電池之間電能的快速轉移，而本文提出均衡電路卻能彌補這個不足。

當電路出現一高一低不均衡狀態時，假設B1的電量稍高，B6的電量稍低，將SPDT1和SPDT2將開關打到a端，S1和S2閉合，此時B1就會向電容C1充電，充電完成后，斷開S1和S2，將S6和S7閉合, SPDT2將開關打到b端，此時C1給B6放電，不斷循環此過程就能消除帶電量的不均衡。

3 實驗與仿真

為了充分說明所提出均衡電路的有效性，對所設計的均衡電路進行了充放電實驗。磷酸鐵鋰電池因其安全性、高能量密度和使用壽命長等優勢廣泛被使用，所以仿真實驗選取磷酸鐵鋰電池作為研究對象。仿真電路串聯電池組中選取的電池數目要合適，電池數量太少所得到的仿真結果無法充分說明均衡電路的高效性，太多實驗時間又會太長，因此選取了6節磷酸鐵鋰電池所組成串聯電池組作為均衡對象。仿真設置的6節磷酸鐵鋰電池的初始SOC值分別為50%，50.1%，50.2%，50.3%，50.4%和50.5%。仿真選用ode23tb仿真器進行仿真，仿真步長設置為0.1 ms。

圖4 充電過程

圖4顯示了串聯電池組在充電階段出現不均衡現象時的仿真結果。由圖4可知，經過39.43 s后，基本消除了各個單體電池的帶電量的差異，當達到均衡狀態時電池的帶電量為50.35%，在均衡過程中因開關、MOSFET等元件造成的能量損耗僅為0.029%。

圖5顯示了串聯電池組在充電階段出現不均衡現象時的仿真結果。由圖5可知，經過37.56 s后，基本消除了各個單體電池的帶電量的差異，當達到均衡狀態時電池的帶電量為50.16%，在均衡過程中因開關、MOSFET等元件造成的能量損耗僅為0.024%。

圖5 放電過程

實驗結果表明，本文所提出的均衡電路能達到快速消除串聯電池組不均衡現象的目的，并且在均衡過程中所消耗的電能的量也較少，無論是在充電或者放電過程中，均衡效率都很高。

4 結束語

本文通過單體電池的SOC作為判斷依據，根據SOC值判斷出電池不均衡狀態，并以此制定具體的均衡方案，并利用串聯電池組所連接的均衡電路實施該方案，消除不均衡現象。通過仿真實驗驗證了所提出均衡技術的可行性，實驗結果表明，所設計的均衡電路能夠快速消除電池帶電量不一致性，同時在均衡過程中能量耗散少。