動力電池包離線均衡維護設備研究

蘇慶列 黃登高 謝俊淋 王 旭

（1.福建船政交通職業學院汽車學院 福建福州 350007；2.中國汽車技術研究中心有限公司 天津 300300）

隨著能源危機、環境污染等問題的日益嚴重，世界各國對碳中和的訴求越來越高，新能源領域的發展步提速。鋰離子電池作為新能源儲能元件，具有能量密度高、充放電特性好、使用壽命長、安全環保等優點，被廣泛應用于電動汽車和軌道交通領域。在電動汽車高功率、高能量密度要求的條件下，單個鋰離子電池并不能滿足要求，需要對多個鋰離子電池進行串并聯組合使用，形成動力電池包（Battery pack）。伴隨著動力電池包使用壽命的不斷衰減，單體鋰離子電池之間的不一致性常常造成電池包容量衰減過快、功率倍率下降等問題[1]。

動力電池包的不一致性就是指同一規格型號的電池單體組成動力電池包后，其電壓、容量、內阻、壽命、自放電率等參數的差別。電動汽車動力電池包在長時間使用之后，隨著壽命的衰減，單體電池荷電量體現很大不一致性，直接體現為電池單體電壓的不一致性。電池單體過壓和欠壓容易導致電池熱失控，危及車輛和人員安全[2]。張智勇等人[3]的研究表明，對動力電池包進行均衡維護，可以改善電池包各串聯單體之間的不一致性，提高電池包的容量、充放電功率和使用壽命。

按照電池均衡的實時性可以分為在線均衡和離線均衡。在線均衡是利用電池管理系統（Battery manage system，BMS）在電池使用中實時對電池單體進行均衡，不影響電池包的正常使用。在線均衡電流一般較小，系統設計水平要求較高。離線均衡則是在電池售后維護階段對電池單體欠壓的位置進行補電或者耗電，提高電池均衡的速度，彌補在線均衡缺點。按照均衡過程中能量是否有損耗可分為被動均衡和主動均衡[4]。

被動消耗均衡是最早的電池單體均衡方式，是通過在各單體電池兩端并聯耗電電阻進行放電，進而實現電池包內各電池單體之間的均衡[4]。主動轉移均衡是將電能從電量高的電池單體轉移到電量低的單體，常采用開關電感法、DC/DC變換法等[5]。主動補電均衡則是利用一個多輸出的變換器對電池包中容量低的電池單體充電，輸入為外部電源[6]。主動補電均衡常用于電動汽車動力電池包售后維護保養階段，解決電池管理系統長時間無法在線實時均衡的難點。

充分結合兩類設備的特點，研究一種單AC/DC模塊與多路繼電器開關復用的電池包離線均衡維護設備。電池包離線均衡維護設備利用精準AC/DC程控隔離電源提供外部補電電源，采用繼電器開關組和電池單體連接，實現電池包單體電壓掃描和均衡控制。該方案相比于現有方案，顯著降低了DC/DC模塊數量，均衡電流大小可控，模塊化程度高，擴展方便，便于動力電池包售后市場使用。

一、動力電池包的離線均衡原理

隨著電動汽車動力電池包的壽命衰減，電池包內電池單體之間的不一致性加劇。車輛運營企業一般會定期將電池包進行拆解，采用電池均衡設備對電壓偏低的電池單體進行補電，降低電池單體電壓的離散程度。針對動力電池包需要定期維護的場景，本研究在動力電池包上提前預留一個電池包的均衡維護外部端口，降低電池包拆解的次數，方便電池均衡維護。動力電池包外部維護端口的電器架構原理，如圖1所示。

圖1 動力電池包外部維護原理

圖1中，Jet為預留在電池標準箱體的電池單體維護端子，用于連接每個電池單體正負極與外部的接口。Jet端子不使用時，采用防水密封端子封堵，使用時打開，連接外部維修線束。K1～K6為電池單體均衡位置控制的繼電器，受到均衡電控單元（Electric control unit，ECU）的控制，其數量依據電池包內電池單體串數進行擴展。AC/DC為程控的外部電源，實現電池均衡電壓和電流的精準輸出。

二、動力電池包離線均衡方案

（一）電池均衡系統參數設計。均衡電流的大小與均衡目標、均衡方式、均衡周期和電池工況等有關[5]。電池單體的均衡時間與其需要補充的電荷容量和充電均衡電流密切相關。電池單體均衡所需要的時間（公式1）：

式中t是電池單體均衡所需時間（h）；ΔQ是電池單體需要均衡的容量（Ah）；I是均衡電流的大小（A）。

電池單體的充電電流和充電電壓受到電池性能的影響和安全性的約束。均衡過程中電池電壓應該小于電池許可電壓，電池電流小于電池許可充放電電流（公式2）。式中，T是電池溫度（℃）；SOC是電池剩余荷電量百分比（SOC，State of charge，%）。

電池包一般是多個電池單體串聯組成，電池包離線均衡設備需要考慮高壓隔離，避免設備損壞。外部電源、繼電器開關、進行端子及線束需要滿足隔離電壓的限制。隔離電壓要求（公式3）：

式中，Vcut是隔離期間要求的耐受電壓；N是電池包內電池單體的串聯數量；Vcellmax是電池單體的最高電壓。

電池開路電壓和電池剩余荷電量的關系可以采用多項式進行擬合，函數表達式（公式4）：

式中，Qsoc是電池單體的剩余荷電量，Uocv是充分靜置后的開路電壓。

外部電源與電池單體之間存在較長的線束，且需要串聯繼電器、接插端子等部件，外部電源輸出端與電池極柱之間存在沿程電阻Rtotal，其計算表達式（公式5）：

式中，Rline是均衡線路的導線電阻；Rjet是均衡線路中接插件的接觸電阻；Rother是均衡線路中其他寄存電阻。受制于電池單體在電池內部的布置，外部電源與被均衡電池單體之間的線長存在差異，外部電源兩端與電池極柱的電壓壓降存在不一致性。為了便于獲得線路的內阻，本研究用恒流測試激勵，采集兩組電壓，計算獲得電池均衡通道的電阻值（公式6、7）。式中，URt1、Ubat1、I1是第一組外部電源電壓、電池極柱實際電壓和激勵電流；URt2、Ubat2、I2是第二組外部電源電壓、電池極柱實際電壓和激勵電流。

沿程電阻Rtotal的計算公式如下公式8所示。

電池單體并聯之后，其內部直流內阻遠小于線路延遲內阻，且小電流時電池極化內阻影響不大。令Ubat1≈Ubat2，可進一步獲得如下公式9。

為了便于監控電池單體電壓和均衡設備輸出電壓之間電壓差，可設定電池的均衡電流和均衡電壓差ΔVset，電池均衡電流（公式10）。式中，Ibat為均衡設備給電池單體進行的均衡電流。

受制于線束長度、沿程電阻大小和電池充電安全性考慮，本研究將電池均衡電流設置為固定值2A。

參考公式4，鋰電池單體可以通過開路電壓體現出來，電池包內單體容量差的計算如公式11、12、13和14所示。式中，是電池包內電池單體的平均剩余荷電量；Qi是電池包第i個電池單體的剩余荷電量；QΔi是電池包內第i個電池單體剩余荷電量與平均剩余荷電量的偏差；是電池包內電池單體的平均電壓；Ui是電池包第i個電池單體的電壓；UΔi是電池包內第i個電池單體電壓與平均電壓的偏差。

電池包內電池單體的均衡時間（公式15），式中，tibal是電池包第i個電池單體均衡完的時間。

當電池包中存在多個電池單體需要補電，電池包總的均衡時間公式16。式中，tpackbal是整個電池包內所有單體均衡完成的時間。

（二）電池均衡系統硬件結構。電池離線均衡維護設備是通過外部電源與整個電池包進行連接，采用隔離AC/DC程控隔離電源和繼電器開關組與電池包內每個單體之間建立獨立鏈接。電池離線均衡維護設備主控單元如圖2所示。

圖2 電池包離線均衡設備的控制單元

電池包離線均衡設備的控制單元（Electric control unit，ECU）負責控制電芯均衡電流電壓和繼電器通斷，運行電池包外部均衡的策略。控制單元主要硬件包括：主控板、從控板1、從控板2和程控電源。主控板具備CAN通訊功能，承載均衡控制策略運行和單體電壓采集，協調從控板1、從控板2和程控電源工作狀態。從控板個數隨著需要維護的電池包串數增加而進行調整。主控板、從控板均采用外部12V電源供電。從控板負責控制均衡通道的通斷，接受主控板的繼電器通斷指令，具備CAN通訊功能。程控電源由MCU、CAN通訊和隔離AC/DC模塊組成，可以支持給定的恒流和恒壓控制。

依據原理圖成組的電池包離線均衡設備實物，如圖3所示。實物硬件采用模塊化設計思路，將電池包離線均衡設備的控制單元、內部均衡電路、外部接口進行獨立設計和布置。均衡設備最大輸出電流5A，輸出電壓范圍為1.5-12V，支持48路串聯電池單體均衡，電池單體電壓采集進度為1mV。電池維護設備的主要參數如下表1所示。

圖3 電池均衡設備實物

表1 電池維護設備主要參數

三、動力電池包離線均衡控制策略

電池包離線均衡設備的控制流程如下4所示。本均衡設備工作時，首先將整車電池電量采用快充樁調整到滿電狀態。在車輛滿充之后，電池電壓受到快充大電流的影響，電池電壓存在逐步回落過程，待電池單體電壓回落穩定之后，電池的開路電壓和電池剩余荷電量存在相對穩定的關系。此時，連接和啟動電池包離線均衡設備，對電池包內電池單體進行掃描電壓，記錄電池單體電壓和計算每個通道的沿程電阻。

實際工程應用過程中，如果小電流持續給電池過充電，有電池熱失控的風險。在工程實踐中，如果電池單體電壓偏差大于200毫伏，電動汽車常會出現警告指示燈，本研究將該數值作為一個閾值，判斷是否對該電池包進行均衡維護，均衡額的目標是使得電池壓差小于200毫伏。控制單元計算獲得需要補電的電池單體位置之后，采用繼電器開關的切換，分別對電池單體進行補電。目標均衡電壓為電池組的平均電壓，單體均衡的時長限制值為tibal。控制單元控制的輸出電流，并確認電池單體的電壓和時長是否達到邊界條件，如果結束則進入下一節單體均衡維護。在所有需要均衡的電池處理完或者人工故障處理完成之后，電池包離線均衡設備工作結束。

圖4 電池維護設備的控制流程

四、動力電池離線均衡測試

（一）電池包離線均衡參數校核。依據實踐數據表明，電池包在特殊工況下，容易存在1-2個電池單體容量偏低，本研究的實驗電池包為某純電動公交車輛標準電池箱，如表2所示。假設一個電池單體容量偏差設定為20%時，依據電池單體串聯的“木桶效應”，電池包整體剩余容量為80%，使用壽命將顯著縮短。依據電池包離線均衡設備參數和試驗電池包參數，測算電池包離線均衡的時長如表3所示。

表2 公交車輛電池參數

表3 電池包離線均衡測算結果

（二）電池包離線均衡設備實驗測試。依據電池包離線均衡的運行策略，將電池包離線均衡設備的外部接口與公交車輛電池包進行連接，開展電池包離線均衡測試。

經過20個小時的電池均衡設備運行，電池包均衡前后的電池單體電壓對比如圖5所示，共計對18個電池單體進行了補電。電池包均衡前后的電池單體電壓的變化如表4所示。電池包均衡之后，電池單體之間最大電壓差從235毫伏降低到196毫伏，電池包內單體電壓最高值不變，電池單體最低值提升。

圖5 電池包均衡前后的電壓對比

表4 均衡前后電壓差數值對比

五、結論

本文提出了一種電池包離線均衡維護設備，研究了電池包均衡設備的基本硬件、軟件和控制策略，探索了一種電池包維護的新方式。電池包離線均衡維護設備的結構分為設備控制單元、程控電源、均衡設備內部繼電器單元、箱體和線束結構。該均衡維護設備可以采用一個獨立AC/DC隔離電源模塊實現對多路串聯電池單體的電量補充，相比于現有多電源方案可以有效降低系統復雜度和制造成本。

電池包離線均衡設備的參數設計充分考慮了電池包均衡線路的線路壓降，開展了研發的電池包離線均衡設備進行實驗測試。測試結果表明，該設備可以滿足電池包級別的電池單體均衡維護。