新能源汽車電池管理方法綜述＊

胡治國 司少康

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，焦作454000）

主題詞：新能源汽車 BMS SOC估測 均衡管理方法

縮略語

BMS Battery Management System

SOC State of Charge

OCV Open Circuit Voltage

SVM Support Vector Machine

NEV New Energy Vehicle

0 前言

在環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)峻的大環(huán)境下，在世界各國政府大力扶持下，電動汽車作為滿足節(jié)能減排的要求的方案得到了快速發(fā)展，成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢。電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)是電動汽車最重要的部分之一[1-2]，它的主要作用包括以下4點：

(1)對參數(shù)在線觀測；

(2)荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)估測；

(3)電池均衡管理和熱管理；

(4)CAN總線通信[3]。

其中，準(zhǔn)確估測SOC和電池均衡管理是BMS的核心功能，也是優(yōu)化系統(tǒng)能量管理，提高動力電池的使用效率，延長電池使用壽命的關(guān)鍵。如果對SOC估測不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致SOC大的波動，從而減少動力電池的循環(huán)壽命。如果不對電池進(jìn)行均衡管理，則會損害電池的使用壽命和工作效率。本文旨在對電池管理系統(tǒng)中SOC估測和電池均衡管理的方法進(jìn)綜述與分析，為未來工作提供理論性的可靠參考。

1 SOC估測方法

SOC是不能直接測量出來的，需要電池的等效電路來對其進(jìn)行在線估測。為了得到精確的SOC值，先把電池額定容量C設(shè)置在溫室狀態(tài)下，以C/30倍率充電到滿充時刻的最大安時數(shù)[4]。Ct(t)代表剩余容量，C/30倍率到t時刻的安時數(shù)，如式（1）。

當(dāng)t=0 時，SOC初始值為100%，I(t)為t時間的電流，放電狀態(tài)時刻，I＞0。

電池需要建立電路模型才便于計算分析，以下為3種典型的等效電路模型：

(1)Rint模型；

(2)Thevenin模型；

(3)PNGV模型。

SOC估測是評判電池管理系統(tǒng)性能的最重要參數(shù)之一[5]，電荷狀態(tài)的在線估算有很多比較熟悉的方法，每個方法都有優(yōu)缺點和特定的應(yīng)用范圍，以下簡述主要SOC估測方法。

1.1 安時積分法

該方法是SOC估測法中比較簡單的一種方法，明確開始時刻的SOC值，即可通過安時積分法的數(shù)學(xué)表達(dá)式算出當(dāng)前時間的SOC值，如式（2）。

式中，SOCT為t時刻的剩余電量；SOC?為初始值；t為電流瞬時值；C為電池額定容量。

該方法使用方便，比較常用，但它也有以下缺點。第一，使用該方法必須明確SOC的初值SOC?，該值可以在電池充滿電后并放置一段時間即可測得。第二，電流的噪聲會使SOC估測的準(zhǔn)確值發(fā)生偏離造成運算誤差影響。因此，它不能單獨使用必須與其他算法一起使用才能保證其準(zhǔn)確性。

1.2 卡爾曼濾波算法

改良的卡爾曼濾波算法有其良好的適應(yīng)性和極高的準(zhǔn)確性，應(yīng)用越來越廣泛。它可以對極其復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)給出最優(yōu)估算。想利用卡爾曼濾波法對電池SOC進(jìn)行最優(yōu)化估算，必須要運用到卡爾曼濾波的遞推估測方程來觀察方程釋放出來的狀態(tài)信息，并把上一時刻的估算值與當(dāng)前時刻觀測的數(shù)值進(jìn)行在線更新，除去系統(tǒng)帶來的誤差與干擾，達(dá)到理想效果，如式(3)、式(4)。

其中，XK是系統(tǒng)狀態(tài)變量，UK是系統(tǒng)的輸入變量，yk系統(tǒng)狀態(tài)輸出量，f(xk,uk)與g(xk,uk)是電池模型確定的非線性方程，在估算時進(jìn)行線性化。

卡爾曼濾波算法的優(yōu)點是適合于電流波動比較劇烈的混合動力汽車電池SOC的估測，它可以給出SOC的估測誤差值。但是，它的缺點是如果SOC的估算值越高，電池模型就越復(fù)雜，計算量就比一般的計算量大很多，而且它受溫度，自放電率和放倍率的影響大。

1.3 模糊邏輯推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工智能方向中最重要的分支，一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)另一種是模糊邏輯推理。所謂模糊邏輯推理就是以人的思想、思維方式進(jìn)行定點分析與推導(dǎo)，具有很強的自處理能力；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法主要結(jié)構(gòu)可概括為3層：

（1）輸入層

（2）隱含層

（3）輸出層

它具有非線性、自學(xué)習(xí)特點，可以整合來自不同的電池數(shù)據(jù)，并確定各個參數(shù)之間的關(guān)系。利用模糊邏輯推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力估測SOC[6]，如圖1所示。

圖1 模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

1.4 開路電壓法

開路電壓法是比較簡單的測量方法，它可以利用電池電動勢來確定電池的SOC[7]。電池的SOC與開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）有良好的線性關(guān)系，開路電壓法即是利用OCV-SOC這一穩(wěn)定的線性關(guān)系進(jìn)行SOC估測[8]。OCV無法直接測量得出，無法用于車輛SOC實時估算。所以，它只適用在未工作狀態(tài)時刻的電池使用[9](圖2)。

1.5 支持向量機法

在非線性估計時，支持向量機(Support Vector Machine,SVM)估測精確度比最小二乘法還高，它可以利用數(shù)據(jù)點進(jìn)行最優(yōu)化并將結(jié)果轉(zhuǎn)化成為支持向量，只要它可以很好的優(yōu)化，那么該算法可以提供較高的SOC估測精度[10]。

圖2 開路電壓法

以上各個SOC在線估測算法的優(yōu)缺點總結(jié)為如表1所示。

表1 SOC估測算法的比較

2 電池均衡管理方法

新能源電動汽車的電池均衡方法有很多，按傳統(tǒng)分類法可為2大類：

(1)被動均衡

(2)主動均衡

被動均衡是用電阻耗能元件并聯(lián)在電池電路中，使電壓高的一方電池能量轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)出去，實現(xiàn)電池間的均衡。這種方式叫做能耗型均衡，由于它是把能量轉(zhuǎn)化成熱能造成能量浪費，所以，該方法使用較少。主動均衡通過電感、電容、變換器從高電壓的電池中向低電壓的電池中進(jìn)行輸送[11]，這樣通過實現(xiàn)電池間的均衡，這種操作叫做非耗散型均衡。它可以分為2種方法：

(1)集中式均衡：主要采用正激變壓器和反激變壓器

(2)分布式均衡：主要包括Boost-Buck 變換和Cuk均衡法

電池均衡方法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 被動均衡方法

被動均衡結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。只是在電池2 段并聯(lián)上電阻，當(dāng)一方電池能量高于另一方時，閉合開關(guān)使能量高的電池通過電阻轉(zhuǎn)化成熱能讓各個電池組達(dá)到一致平衡。這種方式叫做電阻均衡法，但這種方法缺點是效率比一般方法效率低而且還會造成電池能量消耗大。

2.1.1 固定電阻分流法

固定電阻分流法是指把需要均衡的電池與電阻進(jìn)行并聯(lián)，中間不需要任何輔助開關(guān)，直接把能量較高的電池能量轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，從而使各個電池的能量保持一致(圖4)。

2.1.2 開關(guān)電阻分流法

開關(guān)電阻分流法是指把需要均衡的電池與電阻進(jìn)行并聯(lián)，中間需要加輔助開關(guān)，當(dāng)某個電池需要均衡時，可以直接閉合它的開關(guān)，使電池與電阻導(dǎo)通，繼而達(dá)到均衡效果(圖5)。

圖3 電池均衡方法結(jié)構(gòu)

2.2 主動均衡方法

主動均衡方法也可叫做為能量轉(zhuǎn)移法，在充放電時，通過輔助設(shè)備把能量從高電位轉(zhuǎn)移至低電位，進(jìn)而實現(xiàn)電池組的均衡充放電過程[12]。按照輔助元件的不同，又可分為開關(guān)電容均衡法與DC-DC 變換器式均衡法。

圖4 固定電阻分流均衡電路

圖5 開關(guān)電阻分流均衡電路

2.2.1 開關(guān)電容（電感）均衡法

開關(guān)電容（電感）均衡法是指相鄰電池之間并聯(lián)一個電容器件。通過開關(guān)器件使電池之間來回變換電容從而實現(xiàn)高能量電池向低能量電池轉(zhuǎn)移能量。圖6 為開關(guān)電容（電感）均衡方法的電路圖，它由n 個MOSFET 管組成，以控制2 個電池組之間的能量均衡。當(dāng)電池V1＜V2時，M2導(dǎo)通M1關(guān)斷。V2與C1并聯(lián)，此時電池V2 的能量通過開關(guān)M2流入電容C1中；開關(guān)M2關(guān)斷M1導(dǎo)通，電池V1與C1并聯(lián)，C1中的能量通過開關(guān)M1傳遞給電池V1。完成這個過程以后，以此類推，通過控制開關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通來實現(xiàn)電容的能量傳遞。

圖6 開關(guān)電容均衡電路

這種方法結(jié)構(gòu)簡單、便于操作。但是，如果均衡電流過大則不能使用該方法，此方法只適用于小電流均衡，因此，它具有一定的局限性。

2.2.2 DC/DC變換器式均衡法

DC/DC 變換器式均衡法是利用開關(guān)管等半導(dǎo)體器件并結(jié)合儲能元件形成的均衡管理控制策略，通過算法控制開關(guān)管的通斷來達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。DC/DC 變換器可將直流電壓轉(zhuǎn)化為可調(diào)的直流電壓，其中Buck-Boost、Cuk、Buck、Boost 是利用儲能元件使能量從高側(cè)向低側(cè)流動。此過程為分布式也可稱為直流斬波電路。正激型、反激型、半橋型能量少的一側(cè)電池所補充的能量是來自整個電池組中的能量，稱為集中式變換器，也稱為隔離型變換器[13]。DC/DC 變換器均衡法的優(yōu)點是均衡效果好，控制靈敏度高，缺點是結(jié)構(gòu)比其他均衡電路復(fù)雜并且成本高。以下是比較常見的拓?fù)鋱D。

(1)分布式均衡電路

分布式均衡電路有Buck-Boost 變換器均衡電路與Cuk 均衡電路。分布式均衡結(jié)構(gòu)比其他均衡電路復(fù)雜，它是通過相鄰單體電池之間通過均衡器進(jìn)行均衡操作從而實現(xiàn)電池組之間的能量平衡。

圖7 為Buck-Boost 變換器均衡電路方法，可將高容量電池中的電能通過DC/DC 變換器儲存至儲能裝置中，而后轉(zhuǎn)移至低容量單體電池。Buck-Boost 電路的設(shè)計可實現(xiàn)能量在單體間單向或雙向流動[14]。Buck-Boost 變換器均衡電路方法無能量損失，能靈活地轉(zhuǎn)換電壓大小實現(xiàn)充電、放電狀態(tài)下的均衡。在大功率運用和高頻工作下，可節(jié)約空間、減小設(shè)備體積，該方法適合運用在空間較小的地方。

圖7 Buck-Boost均衡電路

圖8為Cuk均衡電路，該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但均衡速度快，方向可以雙向傳輸。均衡開啟之前，電容C的電壓Vcj等于單體電池Bi-1的端電壓VBi-1加上單體電池Bi的端電壓VBi，即Vcj=VBi-1+VBi。Cuk 均衡器單元的串聯(lián)電池組的整體均衡電路拓?fù)鋱D，電路包含n個串聯(lián)的單體電池(或電池組)和n-1個Q開關(guān)。假設(shè)當(dāng)Cuk 均衡電路中的VBi-1高于VBi時Q1關(guān)閉，Bi-1-Li-1- MI-1形成閉環(huán)BI-1的電能經(jīng)過LI-1時一部分電能被存儲起來了。此時，Bi-1的電能下降。

(2)集中式均衡電路

常見的集中式均衡電路主要有正激式均衡電路與反激式均衡電路[15]。集中式電路是通過一個多輸出均衡器從而實現(xiàn)在電池組內(nèi)能量之間的轉(zhuǎn)移，把電能高的能量向電能低的電池轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)電池組能量均衡。

圖8 Cuk均衡電路

圖9所示為多繞組輸入的正激式均衡電路。每個單體電池都有均衡器，當(dāng)單體電池電壓高于平均值時，其場效應(yīng)管啟動，把單體電壓高的能量送到電池組上。該電路場效應(yīng)管比較多，結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜而且成本高。

圖9 正激式均衡電路

圖10 所示是多繞組輸出反激式均衡電路。通過原邊副邊匝數(shù)比與場效應(yīng)管通斷，實現(xiàn)讓電池電壓低的一側(cè)獲得較高的電流能量。該電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，容易控制。

圖10 反激式均衡電路

3 總結(jié)

表2 各種均衡方式的比較

新能源電動汽車要在市場上大規(guī)模推廣，其電池性能與壽命的提高是關(guān)鍵。純粹提高單體電池壽命達(dá)到電池組的壽命是不現(xiàn)實的，提高電池組均衡效率和精度，才能最大限度的提高電池組使用壽命。

本文所述的各種動力電池均衡控制策略和均衡方法各有優(yōu)劣。目前為止，沒有一個均衡方法可以同時兼顧均衡速度，均衡效率。均衡電路結(jié)構(gòu)簡單，便于操作的均衡器對電池組的影響效果不好，然而，靈活性好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的均衡器，成本高且不易控制。

為解決上述問題，解決動力電池組均衡控制發(fā)展是新方向。首先，研究新的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以利用軟開關(guān)，它體積小、損耗小、均衡控制模塊智能化。其次，SOC是不能直接測量出來的，需要電池的等效電路來對其進(jìn)行在線估測，目前常用的估測方法有安時積分法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，這些方法通常計算量大且不易實現(xiàn)。所以對這些估測方法進(jìn)行算法優(yōu)化可減少計算量來提高均衡模塊的效率、速度和準(zhǔn)確度，從而實現(xiàn)提高電池使用壽命。最后，綜合傳統(tǒng)均衡器的優(yōu)點把傳統(tǒng)均衡器混合均衡從中可以克服單個缺點，實現(xiàn)均衡電路地高效運行。