動力電池主動均衡離線設備的設計

劉瓊瓊，費孝濤,2，施海鳳，史品佳，徐京寧

（1.江蘇電子信息職業學院 智能交通學院，江蘇 淮安 223003；2.馬來西亞博特拉大學 工程學院，雪蘭莪州 沙登 43400；3.淮安市翔龍特種車輛有限公司，江蘇 淮安 223005）

新能源汽車的動力電池總成是由若干個電池模組構成，每一個模組是由若干個單體電池通過串、并聯的方式組成。當同一規格型號的單體電池組成動力電池總成后，其電壓、容量、內阻、壽命、溫度影響、自放電率等參數存在一定的差別[1]。在新能源汽車使用過程中，受駕駛習慣和溫度等條件影響，導致單體電池的不一致性逐漸放大，從而加速電池性能衰減，造成動力電池充電充不滿、放電放不完，嚴重影響車輛的續航里程和電池的使用壽命[2]，所以動力電池的均衡十分重要。

1 動力電池的均衡控制方法

目前，新能源汽車動力電池均衡主要有兩種方法：一種是通過集成在車輛上的電池管理系統（Battery Management System, BMS）在線監測均衡，目前這種均衡方法用于充電均衡，在動力電池充電的同時進行放電均衡，容易導致電池總成溫度升高，故均衡電流較小，一般控制在2 A以下。為了提高車輛可靠性，系統在開發設計時，一般設置在單體電池電壓壓差超過 100 mV時才開始均衡，精度較低。所以當單體電池的不一致性超過BMS的均衡范圍時，就會出現車輛續航縮短的情況[3-5]。另外一種方法就是使用故障診斷儀讀取其中不均衡的模組信息，通過外接設備實現離線均衡，要求將動力電池包拆下，通過外接設備將此模組中的單體電池進行均衡[6]。

動力電池的均衡控制按照能量是否有損失可以分為被動均衡和主動均衡[7]。被動均衡也稱為能量耗散型控制，是通過串聯電阻的方式將電池多余的能量耗散掉來實現均衡，如圖 1所示。被動均衡具有結構功能易實現、成本低的優點，缺點是均衡過程中放電會導致電池包升溫。主動均衡也稱為能量轉移型控制，經常采用電感均衡、電容均衡和變壓器均衡[8-11]，它是將電量高的單體電池的一部分能量轉移到電容或電感中，再將儲存的能量轉移到電量低的單體電池中，以實現均衡，如圖 2所示。主動均衡具有低能耗的特點，缺點是成本高、結構復雜在線均衡比較難以實現。

圖1 被動均衡

圖2 主動均衡

目前車輛 BMS一般只在充電終了時進行均衡，但是充電時間的長短和車主的使用有很大的關系，當剩余電量較大時進行充電，則BMS進行均衡的時間就較短，導致均衡不完全，單體電池的不一致性在車輛使用過程中，誤差積累越來越大，此時會超出BMS的均衡范圍，車輛會出現續航明顯下降，充電時間變短。這種情況下，就需要用離線外接設備進行均衡。

本文設計了一種離線的動力電池的主動均衡設備，采用雙向DC-DC均衡控制模塊，實現單體電池之間的能量轉移，以達到動力電池的均衡修復。相對比現有市場的均衡維護設備，均衡電流可實現自動控制，最高可達20 A，提高均衡效率，智能化程度也大大增加，便于新能源汽車動力電池維修后市場使用。

2 動力電池總成離線均衡設備設計方案

2.1 離線均衡設備結構框架

為了解決均衡設備效率低、能量耗散的問題，提出一種雙向隔離DC-DC的主動均衡維護設備的方案，主要應用于離線單體電池的均衡。均衡設備屬于外接設備，不需要用電源喚醒工作。離線的均衡設備采用主從式，主要是由顯示屏、主控制模塊和多個均衡模塊組成，結構框架如圖 3所示。

圖3 結構框架圖

雙向DC-DC均衡控制模塊的采集線檢測各單體電壓，再通過控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）通訊傳遞給主控模塊。進行設備操作時，首先在顯示屏上選擇電池類型、對應的標稱電壓（三元鋰電池3.6 V、磷酸鐵鋰電池3.3 V[12]）等參數，當主控模塊采集到各單體電壓后，和相應的鋰電池類型的標準電壓對比，判斷不均衡的單體電池，根據壓差，自動計算出均衡電流并控制相應的均衡控制模塊進行均衡，同時通過串口通訊顯示在顯示屏上。

2.2 均衡控制模塊的硬件結構

均衡控制模塊是整個設備的核心部分，主要是對動力電池中欠壓的單體電池充電均衡，這要求均衡控制模塊將最大的單體電壓逆變升壓，給最小的單體電池充電。本文選擇雙向DC-DC變換器作為執行均衡功能的部件，每個均衡模塊采用MC9S12XET256作為控制電路，接收主控模塊的指令，通過對各單體電壓進行采集后，輸出脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）占空比控制信號控制雙向DC-DC變壓器的輸出，實現對各單體電池的均衡控制。結構簡圖如圖4所示。

圖4 均衡控制模塊

2.3 雙向均衡DC-DC變壓器的設計

根據均衡設備的結構框架，為了防止各單體電池均衡時被短路，所以要求均衡控制模塊應滿足輸入電路、輸出電路之間的電氣隔離[1]。本文將選用雙向正激DC-DC變壓器，工作相對穩定、可靠性較高，為了實現變壓器的磁芯復位，避免因磁芯發生磁飽和，導致磁導率下降引起的變壓器短路，加裝了輔助電路，其拓撲電路結構如圖 5所示。

圖5 雙向正激DC-DC變壓器的拓撲電路

3 均衡控制系統參數設計

3.1 均衡控制變量的選取

均衡控制變量是判斷動力電池中單體電壓是否發生不一致的主要特征參數，在理論研究中主要采用的有開路電壓、工作電壓、電池剩余電量（State of Charge, SOC）、剩余容量等[13]。由于本文研究的是離線均衡設備，故采用開路電壓作為均衡變量，可直接通過采集線或CAN通訊獲得電壓數據。

在均衡過程開始時，首先通過雙向DC-DC均衡控制模塊通過采集線獲取各單體開路電壓，應滿足：

式中，icellmax是動力電池總成的單體電池的數量最大值；Ucellmin是動力電池類型最小放電截止電壓，一般磷酸鐵鋰電池為2.85 V，三元鋰電池為3.2 V；Ucellmax是動力電池類型最大充電截止電壓，一般磷酸鐵鋰電池為3.75 V，三元鋰電池為4.15 V。

再計算出平均電壓

然后計算單體電壓之間的壓差，壓差可以準確地反應動力電池總成不一致情況。

根據單體電池之間的電壓壓差確定均衡控制區間，單體中Umax所在 DC-DC控制模塊逆向升壓向單體Umin充電，直至所有的單體壓差滿足閾值要求。

3.2 均衡電流選取

動力電池在用均衡設備均衡時，為了保護單體電池不會產生過充，會根據單體的欠壓情況，自動選擇均衡電流，一般會滿足先小電流1 A充電，以提高單體電池端電壓，然后選擇大電流20 A充電，以提高均衡效率，最后進行恒壓充電，避免過充造成單體電池損壞。

（1）對于磷酸鐵鋰電池，根據單體電壓欠壓情況，進行均衡電流的選取如下：

當2.65V＜Ui＜3.1V時，ibalance=1A；

當3.1V＜Ui＜3.6V時，ibalance=20 A；

當3.6V＜Ui＜3.65V時，恒壓充電。

（2）對于三元鋰電池，根據單體電壓欠壓情況，進行均衡電流的選取如下：

當3.2V＜Ui＜3.5V時，ibalance=1A；

當3.5V＜Ui＜4.1V時，ibalance=20A；

當4.1V＜Ui＜4.15V時，恒壓充電。

3.3 均衡時間的計算

動力電池的總均衡時間和充電均衡電流、單體欠壓程度密切相關，每一塊需要均衡的單體電池所需要的時間為

當動力電池總成出現多個單體電池不一致時，總的均衡時間計算如式（5）：

式中，tcellbal是存在不一致性的單體電池的均衡時間，CΔi是單體電池需要均衡的容量（Ah），Δt是恒壓階段的均衡時間，根據工程經驗Δt=0.5 h。

4 能量轉移型動力電池離線均衡控制策略

當新能源汽車出現續航里程下降、充電時間縮短的現象時，動力電池的管理系統BMS已經無法進行均衡，需要將動力電池總成離車均衡，即離線均衡。首先要嚴格按照車型對應的廠家維修手冊操作流程，將動力總成從整車上拆接下來，然后連接均衡設備，均衡設備不需要外接電源啟動，可以通過連接在單體電池上的采樣線進行喚醒工作。

在實際應用中，國內新能源汽車動力電池管理系統和維修后市場大部分均衡設備采用的是能量耗散型方式均衡，由于結構設計要求，只能小電流進行均衡，大電流均衡會造成熱失控，嚴重時引起電池的鼓包、自燃等現象。本文研究的是能量轉移型的均衡控制，壓差閾值可以控制在50 mV，同時均衡電流可以達到20 A，大大提高均衡效率，動力電池離線進行單體電池均衡的控制流程如圖6所示。

圖6 均衡控制流程

雙向DC-DC均衡模塊通過連接到單體電池上的采集線，獲取單體電池電壓數據，通過CAN通訊傳輸至主控板，主控板判斷所采集到的所有單體電池中，最大電壓和最小電壓之間的壓差是否滿足設定的 50 mV，不滿足說明壓差過大，單體電池之間出現不一致性，此時需要進行均衡修復。最大單體電池電壓對應的雙向DC-DC均衡模塊逆向升壓，將電壓通過最小單體電池電壓的均衡模塊，向該電池充電。均衡后主控板，重新檢測所有單體電池電壓，判斷再次出現壓差超過50 mV的兩個單體電池，再次通過雙向DC-DC均衡模塊逆向升壓，向電壓單體電池充電，反復檢測、均衡，直至左右單體電池滿足壓差要求，實現動力電池總成的均衡。若長時間無法均衡兩單體壓差，則判斷單體電池發生故障，進行單體或模組的更換。

5 能量轉移型動力電池離線均衡設備測試

為了驗證均衡設備的使用效果，本文對一款某車型純電動汽車動力電池出現的不一致性故障進行修復，該車型動力電池采用的是磷酸鐵鋰電池，具體參數如表 1所示。車輛充滿電只能行駛310 km，電池SOC低于10%，動力電池的故障燈點亮。通過故障診斷儀讀取故障碼為P31A3電池單體電壓過低故障，讀取數據流，顯示如表 2所示。

表1 某車型動力電池參數

表2 故障碼P31A3對應讀取的數據流

分析數據流可以看出，最大單體電池電壓為3.323 V與最小單體電池電壓3.106 V之間的壓差為217 mV，車輛自帶的電池管理系統設定當壓差達到100 mV時進行充電均衡，車輛在長時間充電后壓差仍很大，說明單體壓差過大電池管理系統本身已經無法均衡，所以必須采用均衡設備進行均衡修復。

在完成高壓下電和動力電池包拆解后，連接本文研究的均衡設備進行離線均衡修復，均衡設備一次可以完成24個單體電壓的均衡，如圖7所示。經過 5個小時的設備均衡，再次讀取對應模組的數據流，沒有出現單體欠壓的情況，單體電池之間的最大壓差從217 mV降低到41 mV，動力電池中出現不一致性的模組均衡前后單體電池的電壓變化，如圖 8所示，均衡前后壓差的數據對比如表3所示。

圖7 離線均衡測試

圖8 某車型4號模組單體電壓均衡對比

表3 單體電池均衡前后的壓差數據對比 單位：mV

6 結論

本文提出了一種動力電池主動均衡設備的結構框架，研究了均衡設備的軟硬件及其控制方法，設備采用雙向DC-DC均衡控制模塊，高電壓的單體電池通過此均衡模塊逆向升壓向低電壓單體電池充電，實現不均衡單體電池間的能量轉移，這種均衡方式產生熱量較少，均衡電流能提高至20 A，同時可避免能量耗散方法均衡造成的動力電池過熱現象。在電池總成均衡設備的設計過程中，均衡變量及均衡電流參數閾值均來自工程實際，實用性較好，可廣泛應用于各類鋰電池。經過大量電池的均衡測試，表明該設備可以滿足車規級動力電池的均衡修復。

雖然本解決方案在動力電池均衡方面具有能量轉移型控制的優點，但是受制于設備體積大、接線復雜，暫時無法設計在動力電池總成內部。但隨著芯片技術的發展，未來可通過動力電池總成內部采樣線，直接來實現單體電池間的均衡，將極大提高動力電池的一致性，延長其使用壽命。