動力電池均衡控制技術(shù)研究進(jìn)展

唐國鵬，趙光金，吳文龍

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州450052；2.河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，河南鄭州450052；3.國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)廢棄物資源化處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450052)

動力電池均衡控制技術(shù)研究進(jìn)展

唐國鵬1,2,3，趙光金1,3*，吳文龍1,3

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，河南鄭州450052；2.河南恩湃高科集團(tuán)有限公司，河南鄭州450052；3.國家電網(wǎng)公司電網(wǎng)廢棄物資源化處理技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450052)

對動力電池組內(nèi)的不一致性進(jìn)行均衡是電池管理系統(tǒng)的重要功能。國內(nèi)外技術(shù)人員對動力電池均衡控制進(jìn)行了大量的研究，均衡方法主要可以分為主動式均衡和被動式均衡。介紹了各類均衡方法的功能特點(diǎn)，包括基于電壓和基于荷電狀態(tài)的均衡控制策略，在此基礎(chǔ)上討論了這些方法在應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，分析了當(dāng)前研究有待深化的地方，對均衡的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

動力電池組；電池管理系統(tǒng)；均衡控制

由于鋰電池的單體電池電壓較低，在使用過程中，特別是應(yīng)用于電動汽車的場合中，單體電池需要幾支乃至上百支串聯(lián)成電池組方可使用。由于受單體動力電池自身的原材料、制作工藝等因素的制約，再加上動力電池組工作環(huán)境的影響，動力電池單體間出現(xiàn)不一致性是必然的。因此，動力電池均衡控制管理是非常重要的，不僅可以提高動力電池組的整體有效能量，還可以在一定程度上提高電池組的使用壽命。

1 均衡方法分類

目前動力電池均衡方法有很多，而且新方法層出不窮，大體上來說，現(xiàn)有均衡方法按照均衡原理可分為主動式均衡和被動式均衡。被動式均衡分為硬件方案和軟件方案，主動式均衡又可分為開關(guān)電容法和DC-DC變流器法。圖1總結(jié)了不同的均衡方法及其架構(gòu)。

圖1 均衡方法框架圖

1.1 被動式均衡

被動式均衡，它的結(jié)構(gòu)和控制策略均較為簡單，被動式均衡的原理：通過與電池單體連接的電阻，將高于其它單體的能量釋放，以達(dá)到各單體的均衡。電阻耗散式均衡是一種典型的被動式均衡。圖2是電阻耗散式均衡的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖2所示，每一節(jié)單體電池并聯(lián)一個分流電阻，某節(jié)單體電池(B1)電壓高于其他電池，當(dāng)其與其他電池電壓差達(dá)到某值時，開關(guān)K1導(dǎo)通，電池B1通過分流電阻R1放電，使B1電壓降低，如此循環(huán)往復(fù)實(shí)現(xiàn)電池組各單體電池間的均衡。該方案結(jié)構(gòu)簡單、可靠，控制策略復(fù)雜度低，放電速度快，可多個電池單體同時放電。缺點(diǎn)是：均衡過程中，分流電阻消耗了動力電池組的能量，均衡效率較低，難以適應(yīng)快速均衡的要求。被動式均衡已經(jīng)不能代表動力電池均衡技術(shù)的主流發(fā)展方向[1-4]。

圖2 電阻耗散式均衡電路

1.2 主動式均衡

主動式均衡又稱能量轉(zhuǎn)移法，在充放電時，通過某種介質(zhì)把能量從電壓較高的電池轉(zhuǎn)移給電壓較低的電池，從而實(shí)現(xiàn)動力電池組的均衡充放電。按照轉(zhuǎn)移介質(zhì)的不同，能量轉(zhuǎn)移法可分為開關(guān)電容法和DC-DC變流器法。

1.2.1 開關(guān)電容法

開關(guān)電容法是在每兩個相鄰的單體電池之間通過開關(guān)器件與一個電容并聯(lián)，在充放電過程中，通過切換開關(guān)，控制電容器存儲釋放能量，以實(shí)現(xiàn)能量在電池間的轉(zhuǎn)移。

如圖3所示，通過控制開關(guān)器件驅(qū)動信號PWM的占空比實(shí)現(xiàn)相鄰兩個電池之間能量的傳遞。例如若蓄電池單體容量B1高于B2，G1開通G2關(guān)斷時，電容C1和電池單體B1并聯(lián)，B1將能量傳遞給C1；G1關(guān)斷G2開通時，電容C1和電池單體B2并聯(lián)，C1將能量傳遞給B2，完成這個周期內(nèi)的能量傳遞。以此類推，通過控制開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，利用電容實(shí)現(xiàn)能量的逐個傳遞。

圖3 開關(guān)電容法結(jié)構(gòu)圖

該方法控制簡單，可實(shí)現(xiàn)充電和放電均衡，如果要在電池組最前端和最末端的電池間均衡則需要能量層層傳遞，均衡效率較低。

為解決串聯(lián)鋰電池組的充放電均衡問題，提高電池組的使用壽命，黃勤等人[5]在電容均衡的基礎(chǔ)上改進(jìn)了一種雙向無損均衡方法，電池組均衡結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電池組均衡結(jié)構(gòu)圖

圖4中的無損均衡模塊由小電感、能量轉(zhuǎn)移電容、二極管和電力MOSFET組成。2節(jié)電池間的能量轉(zhuǎn)移主要通過電容實(shí)現(xiàn)。該方案均衡效果較好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)擴(kuò)展方便，節(jié)約能源，均衡效率較高，為超大容量的串聯(lián)電池組提供了無損均衡充放電管理的解決方案。

1.2.2 DC-DC變流器法

DC-DC變流器法按照均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為集中式均衡和分布式均衡，集中式均衡根據(jù)均衡器處理能量的可能流向分為單向均衡和雙向均衡。

理論上講，DC-DC變流器法沒有能量損耗，均衡速度快，是目前國內(nèi)外主流的均衡方法。

(1)集中式變壓器均衡法

利用多副邊變壓器可以實(shí)現(xiàn)集中式均衡控制，此種均衡方法可分為單體到組、組到單體、雙向三種模式。

如圖5所示，變壓器原邊接電池組兩側(cè)，副邊每個線圈對應(yīng)一節(jié)電池，各副邊線圈匝數(shù)相同。當(dāng)系統(tǒng)檢測到低電壓電池單體的時候，電池組側(cè)的變壓器功率開關(guān)導(dǎo)通，原邊繞組通過電流，能量儲存在變壓器線圈中，開關(guān)斷開時，變壓器儲存的能量釋放到單體電池，電壓越低的電池單體能夠獲得的能量越多，實(shí)現(xiàn)整個電池組的均衡。

圖5 集中式均衡控制

這種均衡結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：均衡速度快，均衡電流大，能量損耗小。缺點(diǎn)是：當(dāng)電池組串聯(lián)數(shù)多的時候，低壓繞組到各單體電池的導(dǎo)線長度和形狀不同，變比存在差異，均衡誤差較大；變換器與電池組之間的功率導(dǎo)線布線復(fù)雜，電子元器件多，不利于模塊化。

隨著對均衡研究的不斷深入，人們對于均衡效率、均衡速度有了更高的目標(biāo)。在提高均衡效率方面，杜韋靜等人[6]在集中式變壓器均衡的基礎(chǔ)上，通過外接電源，實(shí)現(xiàn)電池組在充電基礎(chǔ)上的實(shí)時均衡，如圖6所示。通過控制功率開關(guān)管的通斷，可以較為精確地調(diào)整副邊電壓；保證與串聯(lián)電池?cái)?shù)多的電池組中各電池單體并聯(lián)的各副邊得到基本一致的電壓，使能量最小的單體吸收最多的能量，達(dá)到均衡的目的，從而有效地提高均衡效率。

(2)分布式變壓器均衡法

所謂分布式變壓器均衡技術(shù)，就是電池組中串聯(lián)的每一個單體電池都有一套專門的均衡模塊且相互獨(dú)立，分別控制進(jìn)行充電，每個充電回路互不影響，靈活度高，易于實(shí)現(xiàn)模塊化，方便電池組的擴(kuò)展。該均衡技術(shù)的缺點(diǎn)是：需要大量的功率器件，因此控制信號多，控制電路復(fù)雜，成本高。

圖6 集中有源式均衡電路圖

分布式變壓器均衡方法有很多，基于反激變壓器的隔離式DC-DC變換器分布式均衡法是比較常用的。

基于反激變壓器的隔離式DC-DC變換器分布式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示，其中圖(a)為單向DC-DC變換器分布式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖(b)為雙向DC-DC變換器分布式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，隔離結(jié)構(gòu)以反激式結(jié)構(gòu)最為常見。該種結(jié)構(gòu)的均衡電路設(shè)計(jì)的功率變化范圍寬，同時采用高頻工作亦可使設(shè)備體積小型化，結(jié)構(gòu)布局方便，適用于狹小的空間。

圖7 隔離式DC-DC變換器的分布式均衡結(jié)構(gòu)

從體積、質(zhì)量、成本以及工作的可靠性來看，雙向變換器具有更大的優(yōu)勢，是未來的發(fā)展趨勢。但雙向變換器電路結(jié)構(gòu)中需要的開關(guān)管較多，因此構(gòu)建的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大。

文獻(xiàn)[7]提出了一種三單體直接均衡電路，如圖8所示，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)相鄰三個串聯(lián)電池單體中的任意兩個單體間能量的雙向傳遞，非相鄰電池單體(或模塊)無需均衡時，均衡過程可實(shí)現(xiàn)能量跨越式地直接變換和傳遞，而無須借助于中間單體進(jìn)行二次均衡，有利于縮短均衡過程的能量傳遞路徑并提高均衡效率。但是當(dāng)串聯(lián)儲能系統(tǒng)電壓等級較低時，該結(jié)構(gòu)的均衡效率比較低。

圖8 三單體直接均衡電路

文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一套基于上述三單體直接均衡電路的九單體串聯(lián)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用樹狀分層的形式，如圖9所示，將系統(tǒng)分為三層，同層或是上下層模塊之間通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，該系統(tǒng)均衡效率高，均衡速度快，且便于模塊化設(shè)計(jì)。

圖9 單體樹狀分層圖

還有一種基于升降壓變換器的分布式均衡方法，該均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示，該方法無能量損失，可實(shí)現(xiàn)充電和放電情況下的均衡，同時它可適用于大功率的設(shè)計(jì)，高頻條件下工作，可大大減小設(shè)備的體積，方便在狹小的空間內(nèi)進(jìn)行布局；但是當(dāng)串聯(lián)電池組內(nèi)不均衡的電池單體出現(xiàn)的位置不相鄰時，能量的傳輸路徑長，均衡速度變慢，效率降低。

圖10 基于Buck-Boost變換器分布式均衡結(jié)構(gòu)

2 均衡控制策略分類

均衡控制策略按照均衡的判斷準(zhǔn)則一般可分為兩種：基于電壓的均衡和基于SOC的均衡。

2.1 基于電壓的均衡方法

基于電壓的均衡方法是指通過單體鋰電池的負(fù)載電壓差異來判斷鋰電池組的不一致性情況，據(jù)此控制電源管理系統(tǒng)均衡模塊的開啟和關(guān)閉。電池負(fù)載電壓測量簡便快捷，且負(fù)載電壓很大程度上可以反應(yīng)電池SOC的變化，正是這個原因，大多均衡方法均將負(fù)載電壓作為均衡控制策略的判斷依據(jù)，其控制方式容易實(shí)現(xiàn)，對算法要求不高，缺點(diǎn)是用單一電壓均衡，均衡的精度和效率難以保證，尤其是對于并聯(lián)電池單體，無法應(yīng)用該策略均衡。

2.2 基于SOC的均衡方法

現(xiàn)有的均衡方法大多數(shù)以測量簡便的負(fù)載電壓差異大小作為鋰電池組不一致性情況的主要依據(jù)，電池管理系統(tǒng)據(jù)此控制均衡的開關(guān)狀態(tài)。均衡的最根本目的是平衡電池間剩余電量即SOC的差異，負(fù)載電壓可以反應(yīng)電池SOC的變化，但無法準(zhǔn)確描述電池的SOC狀態(tài)，可能因此而出現(xiàn)過充和過放，對鋰電池造成損壞。鋰電池內(nèi)部的化學(xué)材料是造成該現(xiàn)象的原因。鋰電池的極化效應(yīng)導(dǎo)致當(dāng)電流流過電池時，電池電壓偏離其平衡值；由于鋰電池生產(chǎn)過程中無法做到完全一致，且隨著鋰電池充放電循環(huán)次數(shù)的增多，電池間的極化差異逐步變大，在充放電過程中表現(xiàn)為負(fù)載電壓差異越來越大。在鋰電池使用后期，負(fù)載電壓往往無法準(zhǔn)確反映電池的SOC值。

由于鋰電池極化效應(yīng)等因素的影響，用負(fù)載電壓作為均衡的判斷標(biāo)準(zhǔn)已無法滿足需求，在這種情況下，研究人員提出了基于SOC的均衡方法。

由于鋰電池的容量和SOC都不是能直接測量得到的，需要通過測量電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)計(jì)算得到，計(jì)算的準(zhǔn)確度受計(jì)算方法、電池模型的制約，動力電池的老化、自放電、使用環(huán)境等也對計(jì)算的準(zhǔn)確度造成影響，因此，目前基于SOC的均衡控制策略還在研究中，具體的應(yīng)用案例很少。

盡管如此，還是有研究人員進(jìn)行了嘗試。Jong-Hoon Kim等人[9]針對含20節(jié)單體鋰電池的鋰電池組設(shè)計(jì)了基于SOC的均衡方法，結(jié)果顯示了其優(yōu)越性。Jingyu Yan等人[10]提出一種模糊控制的SOC均衡方法，均衡效果顯著。

3 結(jié)論

綜合上述的各種動力電池的均衡方法以及均衡控制策略，盡管方法很多，且每種均衡方法均有其特點(diǎn)，但到目前為止，沒有一個均衡方法能夠做到兼顧均衡效率、均衡速度、均衡系統(tǒng)的復(fù)雜程度以及均衡系統(tǒng)的成本。結(jié)構(gòu)簡單、易于控制的電路結(jié)構(gòu)不適于電池組的擴(kuò)展，而靈活度高，易于實(shí)現(xiàn)模塊化的電路卻存在元器件數(shù)目多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易于控制的問題。

為解決上述問題，開展均衡損耗小、均衡速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)電池組擴(kuò)展的均衡方法是今后的發(fā)展趨勢，這將有助于提升動力電池組的性能及使用壽命，對電動汽車的大規(guī)模推廣具有積極的意義。

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Research progress of power battery equalization

Equalization was an important function of electric vehicle battery management system, which was commonly classified into two kinds of methods as dissipative equalization and nondissipative equalization. Researchers had done much work to improve the technical accuracy,reliability,sensibility of these two equalizations. Some novel equalization methods, including voltage and state of charge based equalization methods, and the improvement of these methods were also taken out.Principles of these methods for equalization were introduced, meanwhile,the advantages and disadvantages of these methods during applications were discussed in detail.

lithium-ion battery pack;battery management system;battery equalization

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2312-04

2015-03-22

國家電網(wǎng)公司基金項(xiàng)目(1213)

唐國鵬(1986—)，男，河南省人，工學(xué)學(xué)士，主要研究方向?yàn)閮δ芗夹g(shù)。

趙光金，E-mail：gjzhao@iccas.ac.cn