一種面向輕型電動車的鋰離子電池組均衡方法

譚曉軍，程海峰，陳維杰

(中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州510275)

一種面向輕型電動車的鋰離子電池組均衡方法

譚曉軍，程海峰，陳維杰

(中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州510275)

針對四輪輕型電動車的典型應(yīng)用，提出了一種面向24節(jié)串聯(lián)鋰離子電池組的非耗散型均衡方法。該方法通過對電池狀態(tài)進(jìn)行精確監(jiān)測，利用目前較為先進(jìn)的LTC3300芯片，可將電荷從SOC較高的電池轉(zhuǎn)給電池組，也可用電池組的整體電荷對某個SOC較低的電池補(bǔ)電，實現(xiàn)雙向快速均衡。通過均衡與充電交替進(jìn)行的控制策略，電池組能實現(xiàn)SOC意義上的均衡，提高均衡精度。試驗及仿真結(jié)果表明，該方法在均衡耗時及能量效率兩個方面都較現(xiàn)有方法更優(yōu)。

動力電池；非耗散均衡；輕型電動車

近年來，四輪低速輕型電動車以其較高的性價比贏得了民眾的普遍認(rèn)可，銷售量每年攀升。目前，低速電動車生產(chǎn)商已從單純追求低成本的做法轉(zhuǎn)為追求車輛的耐用性、高性能及高可靠性，因此不少新型的輕型電動車都開始采用鋰離子電池組供電。鋰離子電池組具有比能量高、循環(huán)壽命長及自放電小、能量效率高等優(yōu)點，可使車輛提速快，續(xù)航里程遠(yuǎn)，使用壽命長，比采用鉛酸電池組的電動車性能更優(yōu)。此前人們認(rèn)為鋰離子電池組價格高，難以管理；事實上，隨著電池管理系統(tǒng)技術(shù)的進(jìn)步，鋰離子電池組的更換里程能達(dá)到鉛酸電池組的四到五倍，平均使用成本較鉛酸電池組低，從而實現(xiàn)真正的“貴買便宜用”，將具有強(qiáng)大的市場競爭力。

然而，無論電池生產(chǎn)過程中的制造工藝還是使用過程中由于溫度、通風(fēng)條件等不同而引起的環(huán)境差異，都會造成電池組內(nèi)各個電池的SOC(state of charge)不一致。由于鋰電池電壓平臺較低，需要用多個電池串聯(lián)組成電池組，這使電池不一致性的影響更為突出。如果不采取均衡控制，消除電池之間的不一致，不僅會使電池組的有效容量降低，還會使得這種不一致隨著時間推移呈擴(kuò)大趨勢，從而加速電池劣化，造成電池組提早失效[1]。

因此，配備有效的均衡模塊，是保證鋰離子電池組長期穩(wěn)定工作的必要手段，也是電池管理系統(tǒng)開發(fā)工作的重要內(nèi)容之一。目前電池均衡控制多采用耗散型的方法[2]，即利用旁路電阻將SOC較高的單體電池的一部分能量通過發(fā)熱的形式耗散掉，以使各電池的SOC保持一致。這種方法邏輯簡單、成本較低，目前得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于多余能量通過發(fā)熱的形式消耗，容易引起熱管理的問題，對工作環(huán)境的通風(fēng)條件要求嚴(yán)格，同時加劇了電池間的溫度差異，形成新一輪的不平衡。近年來人們開始研究發(fā)熱量更少、更省能量及均衡速度更快的非耗散型均衡方式[3-5]。

1 硬件原理介紹

非耗散型的方法是通過補(bǔ)充或轉(zhuǎn)移的方式，將SOC較低的電池單獨補(bǔ)電，或者利用特定的元器件將SOC高的電池的電量轉(zhuǎn)移到相對較低的電池中。目前所提出的非耗散型均衡控制方法可依據(jù)所選轉(zhuǎn)移器件的不同分為三種類型，包括飛渡電容法、電感法[3]和變壓器法[4]等。依據(jù)能量傳遞方式的不同還可再細(xì)分為分散式與集中式兩種。利用電容或電感進(jìn)行的能量傳遞，器件兩端的電壓需要盡量相近，因此往往只能在兩兩電池間操作，或者通過升壓的方式[5]完成電池與電池組之間的交換。選用變壓器作為媒介則不存在電壓匹配的問題，可以輕松實現(xiàn)電池與電池組間的均衡，從而縮短均衡時間，提高均衡效率。另外，由于電容與電感的特性，往往只能從高壓端傳輸給低壓端，對于某些特定情況(例如大部分電池SOC一致，只有少數(shù)電池SOC較低時)，這種單向的均衡方式會顯得較為低效。選用變壓器的優(yōu)勢則在于能夠根據(jù)實際需求靈活進(jìn)行雙向均衡，因此在均衡電路的設(shè)計上變壓器也被廣泛采用。以下提到的LTC3300芯片集成了均衡所需的開關(guān)控制及精準(zhǔn)的電流測量電路，能方便地實現(xiàn)基于變壓器的電池組雙向非耗散型均衡，其管腳的控制靈活，可根據(jù)實際需求制定不同的均衡策略。

1.1 LTC3300特點

LTC3300是凌力爾特公司針對串聯(lián)電池組電壓均衡開發(fā)的集成芯片。每塊芯片可控制最多6個電池，通過不同的堆棧方式可設(shè)計出不同的均衡策略，可對任意數(shù)量的電池進(jìn)行分組均衡或集中均衡，適用于包括輕型電動車在內(nèi)的各類電池組應(yīng)用情景。均衡電流可以依據(jù)所選器件靈活配置，芯片支持最高10 A的均衡電流，可實現(xiàn)快速雙向均衡。同時，基于該芯片所設(shè)計的均衡控制電路板，其能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)92%，配合良好的均衡控制策略以及堆棧方式，可以設(shè)計出時間更短、效率更高的非耗散型均衡方案。

1.2 均衡電路原理

本文基于LTC3300設(shè)計了單元均衡電路板，可實現(xiàn)對6節(jié)串聯(lián)電池的均衡控制，其硬件原理如圖1所示。圖1中每個單體電池通過變壓器與電池組相連，形成雙向同步反激電路。以電池CELL1為例，變壓器初級端的MOS管受控制引腳G1P控制，次級端則由G1S控制。當(dāng)電池需要進(jìn)行放電時，初級端MOS管導(dǎo)通，電池為線圈充電，電流線性上升，直至電流檢測腳I1P檢測電流已達(dá)到預(yù)設(shè)值，初級MOS管斷開，次級MOS管導(dǎo)通，儲存在變壓器中的能量轉(zhuǎn)移到整個電池組，電流線性下降，直至電流檢測腳I1S檢測電流已降為零，次級MOS管斷開，初級再次導(dǎo)通，從而形成放電循環(huán)。當(dāng)電池需要進(jìn)行充電時，通過類似的步驟可從電池組中抽取能量，補(bǔ)充到特定電池中。每個電池的充放電過程均由專門的控制引腳進(jìn)行控制，相互之間可以同步獨立進(jìn)行，從而保證了均衡過程的快速高效。

圖1 單元均衡電路硬件原理圖

基于以上的單元電路，本文提出了一種針對四輪低速電動車典型應(yīng)用的鋰離子電池組非耗散型均衡控制方法。所提出的方法面向24節(jié)串聯(lián)的鋰離子電池，適用于72～96 V的電壓平臺，通過采用四塊單元電路板，以首尾相接的堆棧方式進(jìn)行連接，可同時對所有電池進(jìn)行集中均衡。均衡電路的連接方式如圖2所示。

圖2 24節(jié)串聯(lián)電池組的均衡電路連接方式

2 控制策略介紹

某特定時刻，對某個單體電池有三種可能的操作(對該電池充電；對該電池放電；對該電池不采取均衡動作)，均衡控制的關(guān)鍵在于確定要對電池采取以上三種操作之中的哪一種。在本文方案中，先利用精確的電壓監(jiān)測模塊采集每個電池的電壓數(shù)據(jù)(例如，利用LTC6804芯片可實現(xiàn)誤差不大于1.2mV的電壓監(jiān)測)，然后計算所有電池的平均電壓。當(dāng)某電池電壓高于平均電壓一定范圍時進(jìn)行放電，電荷轉(zhuǎn)移到整個電池組，或低于平均電壓一定范圍時進(jìn)行充電，利用電池組的電荷為其補(bǔ)電。直至電池組最高與最低電壓之差小于某預(yù)設(shè)的閾值時，均衡操作完成。

均衡的目的是為了使電池組內(nèi)各電池的SOC盡量保持一致，以減小短板效應(yīng)的影響，提高電池組的實際可用容量。通常的均衡方法以端電壓(工作電壓)為判據(jù)。然而，端電壓的一致性不等于SOC的一致性：一方面，端電壓受均衡電流大小的影響，當(dāng)均衡電流較大時，電池實際的電動勢往往與目標(biāo)電壓相距甚遠(yuǎn)，達(dá)不到均衡的目的；另一方面，即使能夠使電動勢盡量接近，也難以保證SOC的一致性，特別是對于磷酸鐵鋰材料的電池，由于放電平臺區(qū)電壓變化緩慢，微小的電動勢差將會引起SOC較大的誤差，難以保證理想的均衡效果。基于這兩方面的考慮，本文在一次均衡的基礎(chǔ)上，加入了電動勢評估與多次均衡步驟，提出一種較完整的均衡方案，具體流程如圖3所示。

圖3 均衡控制流程

該均衡控制流程可以描述為：先利用圖2所示的均衡電路進(jìn)行整體均衡，當(dāng)最高最低電壓差值小于閾值U1時，單次均衡完成。在每個均衡單步間添加靜置步驟，可以讓電池充分回彈并接近于平衡電勢，減小因均衡電流引起的電壓降的影響，均衡控制以回彈后的電壓作為判據(jù)，提高均衡效果。單次均衡完成后對整個電池組充電至滿，并檢測最高與最低電壓是否在閾值范圍U2內(nèi)，若在閾值范圍內(nèi)，則全局操作停止，均衡結(jié)束，否則啟動下一輪均衡。當(dāng)電池處于較高SOC水平時，磷酸鐵鋰材料的電動勢曲線變得陡峭，電動勢與SOC之間的關(guān)系更為明確。通過多次重復(fù)均衡與充電步驟，電池間的SOC差異將逐步減小，可以有效提高這類電池的均衡精度。由于電動勢曲線在充電末段呈加速上升趨勢，電池經(jīng)過充電后的電壓差將會增大，因此全局電壓閾值U2可設(shè)置比單次均衡閾值U1稍微偏大，以保證均衡操作的收斂性。在實際應(yīng)用中可根據(jù)精度需求設(shè)置全局閾值U2，閾值越大，均衡停止條件就越容易滿足，相應(yīng)的均衡時間就越短。

3 均衡仿真與試驗

為驗證方案的可行性，對24節(jié)額定容量為20 Ah的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行均衡仿真與試驗。仿真的目的除了是驗證策略的可行性，還在于利用大量樣本的仿真結(jié)果分析其均衡時間與能耗情況，以便與耗散型方法作全面對比，同時找出均衡效果最差的樣本，確定該方案的時間與能耗上限，為實際應(yīng)用提供參考。試驗的目的在于驗證策略的現(xiàn)實可行性及仿真模型的準(zhǔn)確性。

3.1 仿真建模

文獻(xiàn)[1]詳細(xì)描述了基于LTC3300單元均衡電路的仿真模型建立方法，本文在此基礎(chǔ)上建立了面向24個電池的均衡模型。每個電池的初始容量有兩種可能的取值(18 Ah或20 Ah)，選取這樣的典型初值，是因為一般電池組內(nèi)電池SOC的差異不會超過10%，對于額定容量為20 Ah的電池而言，如果SOC經(jīng)常超過10%則視為異常，此時需要進(jìn)行的不是均衡控制，而是更換某些劣化的電池。通過改變初始容量分布，計算出在不同情況下所提出方案的均衡時間與消耗電量，并與耗散型方法進(jìn)行對比。仿真總樣本量為224=16 777 216個，由于本均衡方案電池間的均衡操作相互獨立，因此可以據(jù)此合并等效樣本，只篩選出獨立的樣本進(jìn)行仿真，從而縮短了仿真時間。計算每個樣本下所提方法與耗散型法在均衡時間與能耗上的比例，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 本文方法與耗散型法的時間與能耗比例分布

仿真從均衡時間與能耗兩個角度對本文方法及耗散型均衡方法進(jìn)行比較，圖4中橫坐標(biāo)為樣本數(shù)量，縱坐標(biāo)為相同條件下本文方法在時間與能耗上占耗散型方法的比例。從圖4(a)中可見，均衡時間占耗散型所用時間50%～60%的樣本數(shù)量最多，有7 059 024個；從圖4(b)可見，有8 521 069個樣本的均衡能耗落在20%～30%區(qū)間。仿真結(jié)果表明，所提出的均衡方法在絕大多數(shù)情況下均優(yōu)于傳統(tǒng)的耗散型均衡。均衡時間平均比耗散型方法節(jié)省了38.92%，同時由于電池間的電量得到了高效轉(zhuǎn)移并利用，所耗電量平均僅占耗散型方法的31.11%，均衡效率得到了顯著提升。

3.2 均衡試驗

通過試驗可以驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。試驗前，對各電池進(jìn)行容量、內(nèi)阻評測，確保電池一致性良好。根據(jù)仿真結(jié)果可確定均衡效果最差的樣本，此處選取最差樣本進(jìn)行試驗，即設(shè)置1～12號電池初始容量為20 Ah，13～24號電池為18 Ah。均衡充電電流設(shè)置為2.3 A，放電電流為3.2 A，整組充電電流為10 A，設(shè)置單次均衡電壓閾值U1為5mV，全局電壓閾值U2為10mV。取電池組中最高與最低電壓兩個電池的數(shù)據(jù)，通過查表方式計算相應(yīng)的SOC值，試驗結(jié)果如圖5所示，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。由圖5可見仿真曲線與試驗結(jié)果一致性較好，說明仿真模型能夠準(zhǔn)確地反映真實情況。此外，由圖5中SOC趨勢可見，經(jīng)過一次均衡，雖然已經(jīng)達(dá)到閾值條件5mV，但由于仍處于電壓平臺區(qū)，電池間的剩余電量差依然較大；經(jīng)過均衡-充電數(shù)次更替后，剩余電量差逐步縮小至一個較小的范圍，均衡效果得到了較大的提升。

圖5 均衡過程單體電池的SOC變化

4 總結(jié)

本文針對四輪輕型電動車的典型應(yīng)用，提出了一種基于LTC3300的鋰離子電池組均衡電路及相應(yīng)的控制策略。該均衡方案利用變壓器作為能量交換元件，能夠?qū)﹄姵剡M(jìn)行充電與放電雙向均衡，各電池同步進(jìn)行互不干涉，提高了均衡速度和效率。經(jīng)過多次均衡步驟，電池組能實現(xiàn)SOC意義上的均衡，提高了均衡精度。試驗及仿真結(jié)果均表明，該均衡方案在均衡時間和損耗電量上與傳統(tǒng)的耗散型均衡均有較明顯的改善。分散式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)增加了裝配的靈活性，可以支持不同電池數(shù)量的情景，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和可行性。

[1]譚曉軍.電池管理系統(tǒng)深度理論研究：面向大功率電池組的應(yīng)用技術(shù)[M].廣州：中山大學(xué)出版社，2014：109-147.

[2]譚曉軍.電動汽車動力電池管理系統(tǒng)設(shè)計[M].廣州：中山大學(xué)出版社，2011：118-141.

[3]張寅孩，林俊，黎繼剛.基于儲能電感對稱分布的動態(tài)均衡充電的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報，2010，25(10)：136-141.

[4]楊文榮，李露露，李志洲，等.新型電動汽車鋰電池組電量均衡電路設(shè)計[J].電源技術(shù)，2014，38(1)：100-102.

[5]李仲興，余峰，郭麗娜.電動汽車用鋰電池組均衡控制算法[J].電力電子技術(shù)，2011，45(12)：54-56.

Equalization of Li-ion battery for lightelectric vehicle

TAN Xiao-jun，CHENG Hai-feng，CHENWei-jie
(SchoolofEngineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou Guangdong 510275，China)

An active equalizationmethod for 24-serial Li-ion battery of the lightelectric vehicle was introduced based on the LTC3300 chipsets and precise detection of the voltage.The charge could be transferred from cells w ith high SOC to the whole package and from the whole package to some cells w ith low SOC simultaneously.The speed of equalization was improved by adopting the proposed method.The method could be employed during the charging period，which ensured all the cells to be equalized in term s of SOC，w ith higher precision.The results of experiments and simulation show that the proposedmethod outperforms the others at time and energy efficiency.

power battery;active equalization;lightelectric vehicle

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1403-04

2015-12-04

廣東省科技計劃項目(2015B010135006)；廣東省產(chǎn)學(xué)研項目(2014B090901050)

譚曉軍(1977—)，男，廣東省人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電動汽車動力電池管理系統(tǒng)。