電池系統均衡技術研究

陳 濤

（安徽貴博新能科技有限公司，安徽 合肥 230088）

0 引 言

相比于傳統的鉛酸電池，以鋰離子為代表的動力電池具有能量密度高、循環壽命長、自放電低以及對環境友好等特征，得到了越來越廣泛的應用。常用的鋰離子電池包括磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池、鈦酸鋰電池以及鈷酸鋰電池等。然而，電池單體容量小，負載能力低，無法滿足實際的工程需求。為此，人們多通過一定的連接方式將電池單體組成模組[1-3]，以提高電池系統的電壓平臺和存儲能量。但是，電池在生產過程中由于生產工藝和生產環境的控制不一致，有可能造成電池性能的一致性差異，且這種一致性差異在使用過程中會逐漸加速，如果不能及時有效地得到控制，將會嚴重影響電池的壽命和安全等性能。

為了緩解電池不一致性問題，人們通常采用均衡技術優化電池一致性[4-6]。主動均衡常用的硬件拓撲結構有DC/DC變換器、變壓器以及外接超級電容/電感等方式[8-9]，實現了不同電池單體間的能量轉移。轉移的具體形式包括將電池組中能量較高的電池單體通過能量傳輸裝置轉移到能量較低的電池單體、對能量較高的電池單體進行放電，從而減小電池單體間能量不一致性差異。被動均衡則是采用耗散型電子元件，將電池單體中多余的能量以電子元件發熱的形式損耗掉，以此實現電池單體間的均衡[10]。

為了提高電池的使用壽命，本文研究了主動均衡和被動均衡兩種均衡方式，實現對電池模組的快速均衡。均衡控制策略采用電壓最優和電池荷電狀態（SOC）為最優兩種方式進行分析。

1 均衡方案

1.1 被動均衡

被動均衡即一種通過耗散型元器件將電池模組中電量較多單體的多余能量以熱能形式耗散的均衡方式。均衡方式采樣的能量耗散型元器件一般包括不可控耗散元件和可控耗散型元件。不可控元件通常采用功率電阻并聯到需要均衡的電池單體兩側。可控型被動均衡是采用可控型功率器件實現均衡參數的控制。對于安全性要求較高的電動汽車，通常采用該均衡控制方式。但是，被動均衡會損耗電池能量，降低電池能量使用效率。

圖1是一種被動均衡控制拓撲，功率電阻與可控開關相連，并聯到需要均衡的電池兩側，從而實現電池均衡（其中R為均衡電阻，S為可控開關）。在均衡過程中，通過控制可控開關的閉合，實現指定電池單體的均衡。為了降低被動均衡過程中引起的電池溫升，通常均衡電流控制在100 mA以下。均衡控制策略包括電壓最優和SOC最優。

圖1 被控均衡控制拓撲

1.1.1 壓差最優的均衡控制策略

以壓差為最優的被動均衡控制策略如圖2所示。在均衡實施過程中，通過電池采樣芯片（如美信MAX17823、凌特LTC681X系列）采集電池運行過程中的實時電壓，并通過主控芯片計算電池模組的最高電壓Vmax和平均電池V0。當電池的Vmax與V0的差值大于設定的閾值壓差Δ（一般設定為100 mV）時，主控芯片控制均衡可控開關閉合。當該值小于設定的電壓差值后，關閉均衡。該均衡控制策略簡單并易于實現，但對于磷酸鐵鋰電池等電池平臺較為平坦的電池，在充放電平臺時電壓變化較小，使得盡管電壓平臺壓差在設定范圍，但電池的一致性仍然很差。而三元鋰電池由于電壓平臺斜率較大、電壓區分度較高，十分適用于該均衡控制策略，可以取得較好的均衡效果。

圖2 被動均衡控制方法

1.1.2 SOC最優的均衡控制策略

以SOC為最優的均衡控制策略是通過建立電池的行為表達模型，采用濾波算法（如EKF算法[11]、粒子算法、無極粒子濾波算法）實現電池SOC的準確估計。本文中采用電池的電化學組合模型并利用EKF算法，實現電池SOC的準確估計。均衡過程中，利用主控芯片計算電池模組的最大SOC（SOCmax）和平均SOC（SOC0）以及二者的差值。當二者差值大于設定的閾值Δ時，啟動SOCmax對應電池單體的均衡開關，啟動電池均衡。該方法雖然能夠有效提高電池的一致性，但是電池SOC的實時計算對于CU計算能力要求較高。

圖2 SOC最優的被動均衡控制策略

1.2 主動均衡

不同于被動均衡，主動均衡采用能量轉移型元件，在均衡過程中將電池模組中能量較多的電池單體能量通過能量轉移型元件轉移到能量較低的電池單體中，實現模組內的均衡。對于主動均衡，可以實現模組內10 A、模組間50 A的均衡能力。常用的均衡控制拓撲有開關電容、開關電感、DCDC變換器以及變壓器等。

主動均衡的路徑規劃策略的優化指標有電壓、均衡時間、SOC以及均衡能量損耗等參數。圖3是一種常用的主動均衡反激DCDC拓撲，包括電池開關選通電路、DCDC升降壓電路和保護電路。在均衡過程中，通過主控芯片計算組成電池模組的各電池單體SOC，利用開關選通電路，將需要均衡的電池單體連接到DCDC變換器電池單體側，電池模組連接到DCDC總壓側，通過DCDC變換器實現電池單體向電池模組的充電或電池模組向電池單體的充電，實現模組內電池能量均衡的目的。

與被動均衡相同，主動均衡的控制策略也包括電壓最優和SOC最優兩種均衡控制方式。每種控制策略下都存在電池模組向電池單體充電或電池單體向電池模組充電的兩種能量轉移方式。

2 實驗驗證

2.1 被動均衡實驗驗證

為了驗證被動均衡的實驗效果，試驗中采用MAX17823前端采樣芯片采集單體的實時電壓，挑選了存在不一致性的8節電池單體做成電池模組，電池的初始電壓分別為4 010 mV、3 900 mV、3 880 mV、3 730 mV、3 650 mV、3 551 mV、3 550 mV、3 520 mV。過程中，被動均衡的均衡電流控制在50 mA內。實驗中，均衡控制策略采用電壓最優的控制策略，測試工況采用DST工況。經過4.5 h的工作時間，電池最后的電壓為2 632 mV、2 620 mV、2 642 mV、2 651 mV、2 630 mV、2 628 mV、2 627 mV、2 640 mV。工程中電池電壓的變化如圖4所示。

2.2 主動均衡實驗驗證

為了驗證主動均衡方案的有效性，試驗中采用如圖3所示的主動均衡拓撲，采用MAX17823芯片采集組成電池模組的電池單體的實時電壓，使用一階RC電池模型并采用EKF算法實時計算電池的SOC。實驗過程中，采用12個電池單體組成電池組，并以SOC為最優的主動均衡控制策略，通過電池模組對電池模組中SOC最低單體充電的方式進行均衡。測試過程中電池SOC的變化曲線如圖5所示。

從圖5的結果可以發現，采用電池組向電池模組中SOC最低的電池單體進行充電，當到達均衡截止條件時所需的時間為4 700 s（試驗中均衡電流為10 A）。當均衡結束時，可以發現電池的一致性得到了很大程度的改善。

圖3 主動均衡連接拓撲

圖4 被動均衡實驗測試結果

圖5 主動均衡測試結果

3 結 論

為了解決電池使用過程中由于一致性改變對電池使用效率的影響，本文分析了目前常用的均衡控制方式，給出了主動均衡和被動均衡的硬件連接拓撲和均衡路徑規劃策略。最后，為了驗證提出方法的有效性，通過兩組實驗分別驗證了主動均衡和被動均衡方式對電池一致性的優化效果。實驗結果表明，主動均衡和被動均衡都能夠有效改善電池的不一致性，但是主動均衡相比于被動均衡效果更優。