電動(dòng)汽車串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)研究進(jìn)展

沈聃，夏正鵬，倪紅軍，袁銀男，廖萍

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

電動(dòng)汽車串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)研究進(jìn)展

沈聃，夏正鵬，倪紅軍，袁銀男，廖萍

(南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南通 226019)

電動(dòng)汽車的性能和成本很大程度上取決于動(dòng)力電池組的性能和使用壽命，而電池組的性能和使用壽命又受到電池組均衡系統(tǒng)的影響。綜述了電動(dòng)汽車串聯(lián)電池組的主要均衡方法，列舉了國內(nèi)外對(duì)于SOC預(yù)測和電壓測量的常用手段，分析了國內(nèi)外車用串聯(lián)電池組電壓均衡電路，并展望了其發(fā)展方向。

電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池；串聯(lián)；均衡電路

電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展對(duì)車用動(dòng)力電池性能提出了更高的要求。目前，單個(gè)動(dòng)力電池在比能量、比功率、充放電效率、循環(huán)次數(shù)、使用壽命等方面難以滿足使用要求，因此電動(dòng)汽車動(dòng)力大都由多塊電池構(gòu)成的電池組提供。電池成組的方式一般有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種。在同時(shí)滿足輸出功率的前提下，串聯(lián)方式主要用于滿足負(fù)載高壓特性，多節(jié)單電池串成一組后電流相等，可通過電壓反映各節(jié)電池運(yùn)行情況。并聯(lián)方式是為了提高輸出電流，由于并聯(lián)電池端電壓始終相等，一方面存在自然均衡現(xiàn)象，因此部分能量會(huì)消耗在互相充電的過程中；另一方面，當(dāng)電池組某單個(gè)電池電流發(fā)生變化時(shí)，其他電池電流也隨著變化，從而使其電流均衡難以處理?；炻?lián)電池包括并串聯(lián)和串并聯(lián)兩種連接方式?？赏瑫r(shí)滿足電壓、電流要求，但是由于電池組工作時(shí)，其互充電電流和電池組整體放電電流方向相反，對(duì)電池組性能造成能量利用率和輸出總功率下降等不良影響。目前，車用動(dòng)力電池組大都采用串聯(lián)方式[1]。在串聯(lián)組合應(yīng)用中，由于各單體電池在初始容量、內(nèi)阻、自放電率等方面不同使得電池間具有不同的充放電特性，并且電池在進(jìn)行過多次充放電循環(huán)后還會(huì)擴(kuò)大該種不一致現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致整組電池容量、輸出功率減小，電池利用率下降。若不采取有效措施還會(huì)造成單體電池的過充電和過放電，這不僅損壞電池，還可能產(chǎn)生大量熱量，引起電池燃燒甚至爆炸，嚴(yán)重影響電動(dòng)汽車行車安全。因此，針對(duì)串聯(lián)動(dòng)力電池組采取適當(dāng)均衡方法來補(bǔ)償電池間性能差異是非常必要的。

1 電池組均衡方法

電池組均衡方法主要有容量均衡法、化學(xué)均衡法、荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)均衡法和電壓均衡法。早期采用容量均衡法，這種方法以電池實(shí)際容量趨于一致為目的，采用浮充電壓對(duì)電池組續(xù)充電，但由于該方法導(dǎo)致電池處于過充電狀態(tài)，縮短了電池壽命，目前已很少使用?；瘜W(xué)均衡法是通過電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)達(dá)到均衡效果，Abraham.K.M等人[2]提出在鋰電池電解液中添加一定比例氧化-還原電對(duì)的方法，抑制電池正極電位升高，避免電極材料和電解液氧化，提高電池抗過充能力；Chen.J等人[3]經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，組中電壓上升較快的電池不會(huì)被過充，其他電池還可正常充電，達(dá)到均衡充電效果。目前該方法處于理論研究層面，距實(shí)際應(yīng)用尚有一段距離。SOC均衡法是通過動(dòng)態(tài)檢測單體電池SOC，當(dāng)出現(xiàn)SOC不一致時(shí)，自動(dòng)啟用均衡系統(tǒng)對(duì)電池充放電，直到達(dá)到相同SOC，實(shí)現(xiàn)電池組均衡。目前研究電池SOC估算有多種手段，如林成濤等人通過安培時(shí)間計(jì)量法[4]對(duì)負(fù)載電流積分估計(jì)SOC；高明裕等人研究的內(nèi)阻法[5]根據(jù)電池內(nèi)阻特性，通過試驗(yàn)建立直流內(nèi)組或交流內(nèi)阻與SOC的關(guān)系；國外V.Pop等人提出的開路電壓法[6]簡單易行，但需要電池長時(shí)間靜置，不能滿足實(shí)時(shí)在線檢測要求；Tsutomu Y等研究的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[7]是在建好網(wǎng)絡(luò)模型的前提下，依靠大量樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練可以得到較好的精度；Gregory L Plett則采用卡爾曼濾波法[8]根據(jù)采集到的電壓電流，由遞推算法得到SOC最小方差估計(jì)；SOUARDIP M等提出基于模糊基礎(chǔ)規(guī)則(FRB)的系統(tǒng)[9]，利用溫度、電流來計(jì)算庫侖效率，再用安時(shí)法得出SOC值；由C Ehret提出的線性模型法[10]以SOC變化量、電壓、電流和前一時(shí)間點(diǎn)的SOC為基礎(chǔ)，建立線性方程。上述SOC估算方法都有預(yù)估不精確、模型復(fù)雜，且在電動(dòng)汽車變電流動(dòng)態(tài)工況下存在缺陷等不足，所以應(yīng)用起來面臨諸多問題，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

電壓均衡法是以單體電池電壓為均衡目標(biāo)，通過均衡電路使得電壓趨于一致。2002年Krein[11]發(fā)現(xiàn)，電池組內(nèi)單體電池在相同工況下的開路電壓與其充放電狀態(tài)和SOC幾乎是呈線性關(guān)系，因此電壓可以看作是電池SOC的表征量，并且隨著對(duì)電池測量電路和芯片的不斷改進(jìn)，單體端電壓測量精度已經(jīng)達(dá)到很高的水平，對(duì)電池組SOC的均衡可以轉(zhuǎn)化為通過精確的電壓均衡來進(jìn)行。所以現(xiàn)階段電壓均衡法在應(yīng)用中更易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用最廣泛。

2 串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)工作原理

串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)工作原理見圖1。單體電池電壓首先由各檢測模塊獲取后經(jīng)CAN總線傳輸給中央處理器，由中央處理器分析其電壓差異，然后將信息反饋給均衡模塊，再通過其控制充電機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)充電時(shí)對(duì)過充電池回收能量，放電時(shí)則對(duì)過放電池提供能量，最后使單體電池電壓在安全范圍內(nèi)保持一致，最大限度地提高電池組性能、延長電池壽命[12-13]。

圖1 串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)工作原理圖

3 單體電池端電壓檢測

通過均衡系統(tǒng)中的檢測模塊準(zhǔn)確而又可靠地獲取單體電池的端電壓是均衡電路正常工作的前提。很多學(xué)者對(duì)串聯(lián)電池組電壓測量進(jìn)行研究，楊朔等人[14]通過電阻分壓，將實(shí)際電壓降低到芯片可承受范圍內(nèi)，讀取到的轉(zhuǎn)換電壓通過相關(guān)計(jì)算后乘以衰減倍數(shù)得到測量值。該方案測量方便、成本低；歐陽斌林等人[15]使用浮動(dòng)地技術(shù)測量電池端電壓，通過控制器改變地電位，此方法由于地點(diǎn)位經(jīng)常受現(xiàn)場干擾發(fā)生變化，地電位難以精確控制所以影響了整個(gè)測量精度；李樹靖等人[16]采用線性運(yùn)算放大器組成線性采樣電路，經(jīng)過開關(guān)選通需要采集的通道后再經(jīng)過電壓跟隨器輸入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，此方法可以直接測量任意一節(jié)電池的電壓，但是需要很多運(yùn)放和精密匹配電阻，成本較高；鄭敏信等人[17]采用繼電器開關(guān)陣采樣，響應(yīng)速度快，測量的成本相對(duì)較低，開關(guān)無觸點(diǎn)，能夠起到電壓隔離的作用，缺點(diǎn)是觸電壽命有限且噪聲大；除了上述方法外，還有諸如采用分立元件、運(yùn)算放大器結(jié)合P型晶體管等。

4 串聯(lián)電池組電壓均衡電路

串聯(lián)電池組電壓均衡電路近年來也得到了很大的發(fā)展。例如德國Kaiserse Lautern大學(xué)、美國凌立爾特公司、日本豐田公司等。很多公司也為此開發(fā)了專用芯片，美國Intersil公司最近研發(fā)一系列芯片ISL92OS/16/17可以做到最多12節(jié)串聯(lián)小容量鋰離子電池均衡。哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海交通大學(xué)等對(duì)電池均衡工作也做了比較深入研究。但總體而言，國內(nèi)技術(shù)還有待進(jìn)一步提高[18-19]。

對(duì)串聯(lián)電池組均衡電路主要有兩類方法：一是能量消耗型，即給電池組中每節(jié)單體電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻，將多容量電池中多余能量消耗掉，達(dá)到均衡目的；二是能量非消耗型，即采用電感、電容作為儲(chǔ)能元件，利用常見電源變換電路將多余能量在電池間進(jìn)行重新分配，達(dá)到電池間能量轉(zhuǎn)移[20]。

4.1 能量消耗型

能量耗散型一般有兩種類型，Stuart T A[21]等研究的恒定分流電阻均衡充電電路[圖2(a)]和開關(guān)控制分流電阻均衡充電電路[圖2(b)]。其中后者的分流電阻是通過開關(guān)控制的，在充電時(shí)，通過對(duì)單體電池電壓的巡檢，發(fā)現(xiàn)某節(jié)單體電池達(dá)到充電電壓上限時(shí)，導(dǎo)通與其并聯(lián)的單體均衡模塊的開關(guān)，將多余的能量轉(zhuǎn)化為電阻的熱能。同時(shí)，未充滿的電池仍然可以繼續(xù)充電，直到充滿為止。這種電路可靠性高、價(jià)格低廉，且電路結(jié)構(gòu)簡單。但是缺點(diǎn)是效率低下，無法控制分流電流，存在能量浪費(fèi)和熱管理的問題。

圖2 能耗型均衡電路

4.2 能量非消耗型

能量非耗散型電路的耗能比能量耗散型要小，但電路結(jié)構(gòu)也相對(duì)復(fù)雜，大致可分為能量轉(zhuǎn)移式均衡和DC-DC變換器法兩種。

4.2.1 能量轉(zhuǎn)移式均衡電路

能量轉(zhuǎn)移式均衡電路首先以LI Hai-dong研究的[22]電容式均衡電路為例[圖3(a)]，該電路通過切換電容開關(guān)，由電容傳遞相鄰電池間的能量直到均衡。Baughman A C經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)這種電路雖然能量損耗很小，但是要想達(dá)到均衡須經(jīng)過多次傳輸，效率低下[23]。改進(jìn)的電容開關(guān)均衡方式可通過選擇,將多余的能量直接轉(zhuǎn)移到電壓低的單體電池上，而不用通過整個(gè)電池組逐級(jí)轉(zhuǎn)移，使均衡效率得到提高。

Zhao Juan等研究[24]的電感式均衡[圖3(b)]與電容式均衡類似，是將電感作為儲(chǔ)能工具，實(shí)現(xiàn)多余的電量在電池間傳遞。與電容式均衡類似，電感式均衡在同時(shí)對(duì)多節(jié)電池進(jìn)行均衡時(shí)，其控制策略復(fù)雜且均衡時(shí)間過長，效率有待提高。

4.2.2 DC-DC變換器法

4.2.2.1集中式變壓器均衡

集中式拓?fù)渫ㄟ^一個(gè)多輸出的變壓器，從電池組獲取能量后將能量傳遞到電壓最低的電池中。它一般分為兩種方式，即變壓器方法均衡和繼電器網(wǎng)絡(luò)均衡。本文只對(duì)第一種均衡方法進(jìn)行分析。如圖4所示，就是一個(gè)由單向隔離反激變換器和多副邊繞組變壓器組成的集中式均衡方案。變壓器的原邊接動(dòng)力電池組的兩側(cè)，副邊一側(cè)的每個(gè)線圈對(duì)應(yīng)各節(jié)單體電池。當(dāng)系統(tǒng)檢測到某個(gè)單體電池電壓過低時(shí)，變壓器電池組一側(cè)的開關(guān)管導(dǎo)通，與原邊形成回路，能量存儲(chǔ)在變壓器線圈中；當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，變壓器中的能量就會(huì)釋放給電池單體，能量較低的電池吸收能量[25]。

圖3 能量轉(zhuǎn)移式均衡電路

圖4 集中式均衡方案

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可多節(jié)電池同時(shí)均衡，均衡效率很高。缺點(diǎn)是次級(jí)繞組根本不可能做到完全匹配，變壓器存在漏感所造成的電壓差也很難補(bǔ)償，且不易于模塊化，在整個(gè)均衡過程中，還無法測量單體電池電壓。

4.2.2.2分布式變壓器均衡

(1)隔離型

所謂隔離型就是指DC-DC變換器的主次級(jí)相隔離，通過脈沖變壓器的磁耦合方式傳遞能量。而它又可以分為正激和反激兩種拓?fù)浞绞?。正激反映的是脈沖變壓器的原/副邊的相位關(guān)系,確保在開關(guān)管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)脈沖變壓器原邊時(shí)，變壓器副邊同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。反激則和正激完全相反。

在Kutkut N H等研究的隔離型拓?fù)鋄26]中，反激式結(jié)構(gòu)最為常用。它適合于電動(dòng)汽車串聯(lián)電池單體數(shù)量較多的電池組均衡。其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)元件的電壓等級(jí)與串聯(lián)級(jí)數(shù)無關(guān)，均衡效率高，電路結(jié)構(gòu)模塊化好，容易擴(kuò)充。缺點(diǎn)主要有變壓器效率不高，磁路復(fù)雜存在漏感，要做到各副邊參數(shù)一致較困難。該拓?fù)淇衫^續(xù)分為單向和雙向結(jié)構(gòu)，如圖5所示。對(duì)于單向結(jié)構(gòu)的均衡器，使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡，使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡。而雙向結(jié)構(gòu)的變換器的輸入輸出都可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)單體和組之間的雙向能量傳遞，無疑更具優(yōu)勢。

圖5 (a)單向結(jié)構(gòu)和(b)雙向結(jié)構(gòu)

(2)非隔離型

非隔離型是指輸入端與輸出端電氣相通。在相鄰電池間的DC-DC均衡電路是一個(gè)雙向無變壓器的結(jié)構(gòu)，因此適用于串聯(lián)電池單體數(shù)目較少的情況。比較常用的拓?fù)湫问接蠦uck/Boost和Cuk[27]。

Kutkut N H[28]率先研究的Buck/Boost雙向變換器法如圖6(a)，在每個(gè)相鄰的單體電池間連接一個(gè)Buck/Boost變換器。它通過比較相鄰電池間的電壓，將高電壓電池的能量通過變換器轉(zhuǎn)移到低電壓電池中去。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能量損耗低，電壓均衡速度快，對(duì)充放電狀態(tài)都可進(jìn)行電壓均衡，但缺點(diǎn)是需要的電感、開關(guān)管等功率器件多、控制復(fù)雜、成本高。它適用于充放電功率高的場合[29-30]。

祁新春等[31]研究的Cuk雙向變換器法見圖6(b)，它在每兩個(gè)相鄰電池間都有一個(gè)Cuk變換器，通過變換器將高電壓電池的能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池中。與Buck/Boost法相比，電路上的電感電流紋波小、損耗低、效率更高，但上述Buck/Boost的缺陷依然存在。

4.2.2.3其他改進(jìn)DC-DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

針對(duì)以上兩種非隔離型DC-DC均衡電路所存在的問題，還發(fā)展了以下兩種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示，當(dāng)組中的某一節(jié)電池電壓過高時(shí)，相應(yīng)的晶體開關(guān)管導(dǎo)通，從而吸收該電池的能量于電感中；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感則通過其余的均衡單元給電容器充電，當(dāng)電容電壓達(dá)到一定閥值時(shí)，最后通過開關(guān)管Qn+1和電感Ln+1將能量饋送回整個(gè)電池組。該電路的優(yōu)點(diǎn)是元器減少，動(dòng)態(tài)均衡效果好，但是開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大，并不適用于大功率高電壓的動(dòng)力電池組中[32]。圖7(b)所示的電路中，當(dāng)其中一節(jié)單體電池電壓過高時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)管同樣會(huì)導(dǎo)通，此時(shí)能量會(huì)儲(chǔ)存在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電感中；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩個(gè)儲(chǔ)能電感分別通過其他各個(gè)開關(guān)管的體二極管續(xù)流，將能量依次傳送到相鄰兩部分的其他電池。這種電路同樣元器件少，但是隨著電池?cái)?shù)量增多，均衡電流隨電池位置趨于兩端而減小，降低了均衡效率[33]。

圖7 基于DC-DC的改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5 總結(jié)與展望

串聯(lián)電池組電壓均衡電路雖然研究相對(duì)較早也有長足發(fā)展，出現(xiàn)各種拓?fù)湫问降木夥桨?，在一定誤差允許范圍內(nèi)，也可以有效地運(yùn)行，但依然無法很好做到大電流下動(dòng)態(tài)均衡，還需在以下方面做進(jìn)一步研究：

(1)研究出新的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括考慮應(yīng)用軟開關(guān)和磁損耗優(yōu)化等方法，研究出體積小、損耗小、更加智能的均衡電路模塊。

(2)未來串聯(lián)電池組均衡應(yīng)向高效可靠、易模塊化、可級(jí)聯(lián)性和實(shí)用性強(qiáng)，要解決好大電流下動(dòng)態(tài)均衡，還要防止因電力轉(zhuǎn)換部的傳導(dǎo)干擾和電路外部的高頻干擾而導(dǎo)致錯(cuò)誤動(dòng)作發(fā)生。

(3)在均衡控制策略上，應(yīng)研究新的均衡算法，例如把電壓均衡和SOC均衡結(jié)合起來，以提高均衡效率和均衡速度。

(4)在進(jìn)一步提高電池制造工藝水平的同時(shí)，針對(duì)不同電池組可以考慮開發(fā)一個(gè)統(tǒng)一控制測試平臺(tái)，讓動(dòng)力電池組均衡有望實(shí)現(xiàn)工程化。

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Research progress of equalization charging for EV traction battery

SHEN Dan,XIA Zheng-peng,NI Hong-jun,YUAN Yin-nan,LIAO Ping

Performance and cost of electric vehicles were depended largely on the performance and service life of the battery pack.Performance and service life of the battery pack were influenced by the balancing system of the battery pack.Electric vehicle series battery pack balancing method was summarized;the domestic and foreign common means for SOC estimation and voltage measurement were cited.Domestic and foreign car series battery voltage equalizer circuit was analyzed,and its development direction was prospected.

electric vehicle;power battery;series;equalizing circuit

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0390-04

2013-06-21

國家科技支撐計(jì)劃課題(2011BAG02B10)

沈聃(1988—)，男，江蘇省人，碩士生，主要研究方向?yàn)檐囕v電子及新能源技術(shù)。

廖萍，E-mail:liao.p@ntu.edu.cn