一種電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)匹配均衡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉佳庚，趙美紅

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧，鐵嶺 112000）

一種電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)匹配均衡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉佳庚，趙美紅

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧，鐵嶺 112000）

圍繞新能源汽車動(dòng)力電池組充放電過程容量不均衡、電池組整體性能下降這一關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究。在升壓斬波電路和 Cuk 均衡器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種可根據(jù)荷電狀態(tài)差異程度來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)單體電池充放電的優(yōu)先匹配順序、高均衡效率的新型均衡器。試驗(yàn)表明，新型均衡器有效提高了動(dòng)力電池組的整體性能，對完成高效均衡具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

動(dòng)力電池；均衡器；動(dòng)態(tài)匹配；均衡控制；荷電狀態(tài)

動(dòng)力電池是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要組成部分，動(dòng)力電池的性能優(yōu)劣對電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用。但是，由于動(dòng)力電池在制作材料、過程和生產(chǎn)工藝上存在差異，所以即便是相同型號(hào)的電池也會(huì)存在一些差別。尤其是隨著使用時(shí)間的增加，單體電池之間的性能差異將逐漸增大[1-4]，這將造成某些單體電池過充電、過放電現(xiàn)象的發(fā)生。過充和過放不僅會(huì)導(dǎo)致電池組容量不均衡、整體性能下降，而且還影響其使用壽命，甚至還可能發(fā)生爆炸等危險(xiǎn)[5]。電池均衡器作為能夠解決串聯(lián)電池組容量不均衡、整體性能下降等問題的一個(gè)電子控制器，是汽車電池管理系統(tǒng)研究的重中之重，也是推動(dòng)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重要因素[6]。

動(dòng)力電池均衡器有電阻式、電容式和電感式三種基本形式[7]。電阻式均衡器以其結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低廉的優(yōu)勢而得到較為廣泛的應(yīng)用，但電阻式均衡器屬于耗能型，它主要以消耗電能的方式來解決電池組的不均衡問題，不僅能量沒有得到充分利用，反而在均衡過程中讓能量白白流失[8-9]。非耗能型均衡器可以避免上述問題， 電容式均衡器利用電池組的高低電壓來實(shí)現(xiàn)均衡，均衡后使每個(gè)電池具有相同的電壓，但由于無法控制勵(lì)磁涌流，在電池電壓差異較大時(shí)會(huì)出現(xiàn)紋波電流流入電池[10-12]。電感式均衡器可以在電池組間電壓差較大時(shí)最大限度地分配電流，但電流只能在相鄰電池間分配而無法實(shí)現(xiàn)電池組間所有電池的平均分配，并且需要在每個(gè)電池上使用大量的元器件，不僅要求控制器有較高的處理能力，而且造價(jià)高[13-15]。

針對此類問題，有學(xué)者對新型的非能耗型均衡器展開了大量研究，比如靜態(tài)恒流均衡器利用單向正激變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳遞[16]，還有文獻(xiàn)依據(jù)負(fù)載階躍變化時(shí)動(dòng)力電池端電壓變化特性提出動(dòng)力電池參數(shù)動(dòng)態(tài)預(yù)估的單體能量均衡器，并根據(jù)參數(shù)差異實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組的能量均衡控制[17]。LC 振蕩均衡器、LLC 諧振均衡器等多種均衡器[18-20]，它們都存在一個(gè)共同的問題，即不能對動(dòng)力電池組中的電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)的、最優(yōu)化的均衡，并且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制方式繁瑣。

基于此，本文在升壓斬波電路和 Cuk均衡器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種可根據(jù)荷電狀態(tài)差異程度來動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)單體電池充放電的優(yōu)先匹配順序、高均衡效率的新型均衡器，這種均衡器使能量傳遞更有針對性，可動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)均衡電路開關(guān)開斷占空比，有效提高均衡效率。

1 新型的均衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新型均衡器控制電路如圖1所示，為以n個(gè)單體電池串聯(lián)組成的電池組的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)由動(dòng)力電池組、并聯(lián)開關(guān)組合模塊、檢測模塊、控制模塊、均衡模塊組成，均衡模塊由一個(gè)電感L、一個(gè)電容 C、兩個(gè)限制二極管和 4 個(gè) MOSFET 開關(guān)管組成。由于在每次均衡電路工作時(shí)，只有兩個(gè)單體電池參與均衡工作，因此可以選用低功耗的開關(guān)管，這樣不僅可以降低能量的損耗，同時(shí)也降低了驅(qū)動(dòng)功率，可以提高均衡電路的節(jié)能水平，減少電路中不必要的能量損耗。本均衡電路是通過電感L和電容C之間的不同組合來實(shí)現(xiàn)非能耗型的均衡，在均衡電路工作的過程中，可能會(huì)導(dǎo)致反向電流的產(chǎn)生，這種反向電流會(huì)影響到均衡電路的整體工作性能，所以為了避免該現(xiàn)象的發(fā)生，在Q1和連接點(diǎn)之間、Q3和連接點(diǎn)之間分別連接了兩個(gè)二極管，這兩個(gè)二極管可以阻礙均衡過程中反向電流流過。

圖1 新型均衡器控制電路

檢測模塊是由電壓傳感器、電流傳感器、溫度傳感器以及放大驅(qū)動(dòng)電路組成，控制模塊由DSP芯片最小系統(tǒng)組成，并聯(lián)開關(guān)模塊由并聯(lián)的 2n個(gè)高速開關(guān)管組成。

2 新型的均衡器工作原理

檢測模塊中的各個(gè)傳感器將檢測每個(gè)電池的電壓值、電流值和溫度值，傳送給控制模塊的中央處理器，中央處理器根據(jù)所檢測到的參數(shù)，通過預(yù)設(shè)程序的計(jì)算預(yù)估出各個(gè)電池的荷電狀態(tài)（SOC）情況。將 SOC 值進(jìn)行排序，對 SOC 最高的電池與SOC 最低的電池進(jìn)行配對，并將這兩個(gè)電池的控制信號(hào)傳送給并聯(lián)開關(guān)組合模塊，由并聯(lián)開關(guān)組合模塊對這兩個(gè)單體電池進(jìn)行接通與關(guān)閉，從而對這兩個(gè)單體電池進(jìn)行均衡管理。與此同時(shí)，中央處理器也將根據(jù)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)計(jì)算出 4 個(gè) MOSFET 的占空比時(shí)間，并發(fā)出 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)來對 4 個(gè) MOSFET進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開斷，從而實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單體電池之間的能量轉(zhuǎn)換。由于是非能耗均衡，在均衡的過程中能量只在電池內(nèi)部轉(zhuǎn)化，不存在能量的損耗與流失。待均衡結(jié)束后完成一個(gè)循環(huán)周期，再重新檢測，如此往復(fù)。

為了進(jìn)一步說明本均衡器的工作原理，設(shè) Bi、Bj為配對成功的兩個(gè)單體電池，其中 Bi為 SOC 高的電池，Bj為 SOC 較低的電池。在中央控制器的控制下，高 SOC 電池向低 SOC 電池作能量轉(zhuǎn)移，使低 SOC 電池的能量與高 SOC 電池的電壓相等或相近，最終達(dá)到整個(gè)電池組內(nèi)所有單體電池能量的均衡。均衡電路簡圖如圖 2 所示，MOSFET 工作時(shí)序圖如圖3所示。

圖2 均衡電路原理圖

圖3 MOSFET 時(shí)序圖

整個(gè)均衡過程需要經(jīng)過三個(gè)階段：

階段 1[0-t1]：MOSFET 開關(guān)管 Q2、Q3導(dǎo)通，接通 Bi，單體 Bi將電荷傳遞至電感 L 上，L 處于充能狀態(tài)。

階段 2[t1-t2]：開關(guān)管 Q2、Q4導(dǎo)通，由于電感特性，經(jīng)過L的電流不能突變，存儲(chǔ)的能量沿著回路慢慢衰減。此階段中單體 Bi與電感 L 共同對電容C 充電儲(chǔ)能，由于是電感 L 和電池 Bi共同對電容 C進(jìn)行充能，所以實(shí)現(xiàn)了升壓儲(chǔ)能。由于每個(gè)單體電池電壓的差距并不是很大，所以在均衡過程中不會(huì)產(chǎn)生較大的電流。

階 段 3[t2-t3]： 斷 開 Bi， 接 通 Bj， 同 時(shí) 將 開 關(guān)管 Q1、Q4導(dǎo)通，電容 C 對 Bj進(jìn)行充電。

以上三個(gè)階段通過電感L和電容C的不同組合實(shí)現(xiàn)了電能在兩個(gè)單體電池之間的轉(zhuǎn)移。

3 新型的均衡器控制策略

通過借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)研究理論[12-21]，本研究對SOC 與電池容量損耗進(jìn)行疊加并預(yù)估出新的單體電池SOC狀態(tài)值，并將該值作為確定單體電池排列順序的主要依據(jù)。若電池為新電池則容量損耗可忽略，但隨著電池使用時(shí)間的加長，電池的容量損耗將會(huì)影響電池的整體性能，所以不可忽略不計(jì)。通過排序結(jié)果計(jì)算出新的 SOC 最大值和 SOC 最小值，并進(jìn)行配對處理，以確保每次均衡過程只包含一對單體電池。為了進(jìn)一步闡述控制原理，假設(shè)單體電池B1的 SOC 值最大，單體電池 B2的 SOC 值最小，B1向 B2傳輸能量，假設(shè)不考慮線路、開關(guān)管損耗和誤差，則可將均衡器看成是一個(gè)理想變壓器的組合，如圖4所示。算出 Err以及相應(yīng)的 k 值并逐步改善 MOSFET 的占空比。最終以確保 Err的值達(dá)到某一恒定值，來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的均衡，使兩個(gè)電池之間的SOC狀態(tài)達(dá)到同一水平后結(jié)束本次均衡，如此循環(huán)。

圖4 均衡器模型簡圖

通過對誤差Err的計(jì)算以及相應(yīng)的k 值來確定開關(guān)管MOSFET 的開斷占空比，在輸入端上還引入了輸出反饋信號(hào)，將其與輸入信號(hào)疊加處理重新計(jì)算出Err以及相應(yīng)的k 值并逐步改善MOSFET 的占空比。最終以確保Err的值達(dá)到某一恒定值，來實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的均衡，使兩個(gè)電池之間的SOC 狀態(tài)達(dá)到同一水平后結(jié)束本次均衡，如此循環(huán)。

根據(jù)均衡控制策略，控制能量在任意兩個(gè)單體電池之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并且均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有升壓斬波電路的特征，能量傳遞不會(huì)因電壓差偏小而無法實(shí)現(xiàn)均衡。由于本均衡器是以電容為能量傳遞元件，電感加強(qiáng)進(jìn)一步促進(jìn)了電容的充電作用，提高了均衡器的均衡可靠性。

被均衡的兩個(gè)單體電池，一個(gè)單體電池放電，其放電電流連續(xù)，另一個(gè)單體電池同時(shí)被充電，其充電電流也是連續(xù)的，均衡時(shí)能量是連續(xù)傳遞的，并且均衡時(shí)有選擇地進(jìn)行主動(dòng)均衡，不會(huì)產(chǎn)生不需要均衡的電池被實(shí)施被動(dòng)均衡的現(xiàn)象，不僅可以節(jié)約能量而且還提高了均衡效率。本方案中均衡電路的電感，開關(guān)均比傳統(tǒng)均衡器有所減少，而且打破了只能相鄰電池之間傳遞能量的限制，任意兩個(gè)單體電池只要狀態(tài)值差偏大，就可以配對成功，觸發(fā)均衡電路。新型的均衡電路不僅在結(jié)構(gòu)上簡單，而且相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路也減少。這樣可以在動(dòng)力電池組的任何運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)一致性管理，提高了動(dòng)力電池的整體性能。

4 新型均衡器的實(shí)現(xiàn)與結(jié)果分析

為了證明本研究提出的電池均衡控制器的有效性，搭建了一個(gè)由串聯(lián)電池組（6 節(jié)單體電池構(gòu)成)、供電電源（模擬充電器）、均衡電路板和分析儀表組成的試驗(yàn)平臺(tái)。電池選用標(biāo)稱容量為4.2Ah，額定電壓為 6.4 V 的動(dòng)力磷酸鐵鋰電池組，電感選用 0.1 mH，電容選用 200 μF。對 SOC 差異較大的兩節(jié)單體電池實(shí)施均衡，通過分析儀將實(shí)時(shí)采集的電池在均衡過程中 SOC的變化數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，通過對電容與 SOC 值低的電池之間的電壓差進(jìn)行分析來觀察電容對是否能夠有效地實(shí)施均衡功能。

在均衡電路工作之前，由檢測模塊首先對各個(gè)單行進(jìn)行監(jiān)測，將測得的參數(shù)傳送給中央控制器。中央控制器根據(jù)采集到的參數(shù)進(jìn)行綜合評價(jià)，并結(jié)合電池的容量損耗預(yù)測模型預(yù)估出的容量損耗值選出最優(yōu)配對的電池組，每次均衡只能選取一對最優(yōu)組合。將最優(yōu)配對組合的SOC差值進(jìn)行運(yùn)算，有反饋地調(diào)節(jié)出一個(gè)合理的開關(guān)管工作占空比。在均衡過程中，實(shí)施放電策略電池的SOC將逐漸降低，而接受充電的電池SOC會(huì)隨之升高。最后，當(dāng)兩個(gè)單體電池的荷電狀態(tài)達(dá)到平衡時(shí)，完成一個(gè)循環(huán)周期。之后，繼續(xù)尋找下次均衡組合。整個(gè)過程如圖6所示。

均衡過程中，動(dòng)力電池 Bi向動(dòng)力電池 Bj傳遞能量，圖7為一對配對成功的兩個(gè)單體電池在均衡過程第一階段時(shí)均衡電路中電容兩端的電壓情況。試驗(yàn)圖像顯示，電容 C 兩端的電壓最后維持在 10 V左右，充分證明了在均衡過程中，均衡電路有效地完成了升壓作用，加大了均衡電池的充電電壓，從而提高了被均衡電池的充電效率，使其能夠快速完成均衡過程。

圖6 控制流程圖

圖7 電容電壓曲線

圖8 電壓差值曲線

圖8 為均衡過程中階段 3 時(shí)的電容與 Bj電壓的差值情況，描述的是單體電池與電容電壓之間的差值。在試驗(yàn)過程中，切換的瞬間，電容由于儲(chǔ)蓄了足夠的電壓，而相對有較低電壓的 Bj則會(huì)接受來自電容的電壓而使兩者之間的電壓差越來越小。

從圖中不難發(fā)現(xiàn)電容兩端的電壓全部提供給了被均衡電池，基本實(shí)現(xiàn)了無損耗均衡。

圖9為 6節(jié)電池組在充電均衡過程中 SOC 的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過采用新的均衡控制策略后，各個(gè)電池之間都有順序地進(jìn)行互相均衡，通過單體電池的反饋信號(hào)自動(dòng)調(diào)節(jié)均衡器的工作效率，有效降低了單體電池之間的電壓差異，從而達(dá)到很好的均衡效果。單體電池的SOC值經(jīng)過均衡后基本一致，新型的均衡器有效地完成了均衡，并且彌補(bǔ)了其它均衡器的不足。但本方案在均衡過程中可能會(huì)導(dǎo)致相差不大的電池之間延遲均衡的狀態(tài)，這一問題還有待進(jìn)一步研究。

圖9 均衡過程中 SOC 狀態(tài)曲線

5 結(jié)論

本文針對串聯(lián)電池組只能在相鄰兩個(gè)電池間實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、均衡效率低的問題，在升壓斬波電路和 Cuk均衡器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種由電感L作為中間能量傳遞元件，以電容C作為電池間能量傳遞元件，可根據(jù)SOC與單體電池容量損耗來綜合預(yù)估新狀態(tài)值差異程度，從而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)單體電池充放電的優(yōu)先匹配順序、高均衡效率的新型均衡器，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。與現(xiàn)有的新型均衡器相比，本文所涉及的均衡器可動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)電池組中任意一組電池間的能量轉(zhuǎn)移，大大提高了電池組的整體性能，有效解決了電池組容量不均衡的問題，而且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，在改善電池均衡狀態(tài)、提高均衡效率、降低損耗方面有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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作者介紹

責(zé)任作者：劉佳庚（1987-），男，遼寧鐵嶺人。碩士，講師，主要從事電力電子與電力傳動(dòng)研究。

Te1：024-72230117

E-mai1：15241000023@163.com

Design and Implementation of Dynamic Matching Equalizer for Electric Vehicle Power Battery Packs

LIU Jiageng，ZHAO Meihong
（Liaoning Engineering Vocational College，Tieling 112000，Liaoning，China）

This paper focuses on the scientific issues that for new energy vehicles the battery capacity is not balanced during the charging and discharging processes and that the overall performance of the battery pack goes down. The proposed improvement is based on a boost chopper circuit and the Cuk equalizer and a new equalizer with high efficiency of equalization was designed which can dynamically adjust the priority order of the charge and discharge of a single cell according to the charge state difference. The experimental results show that the improved equalizer can effectively increase the overall performance of the power battery and has a certain practical value in achieving efficient equilibrium.

power battery；equalizer；dynamic matching；balance control；SOC

TM911

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.05

趙美紅（1984-），女（滿族），遼寧大連人。博士研究生，講師，主要從事汽車技術(shù)服務(wù)與營銷研究。

2017-01-03 改稿日期：2017-02-27

遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目（L2014589）

參考文獻(xiàn)引用格式：

劉佳庚，趙美紅 . 一種電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)匹配均衡器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2017，7(3)：188-195.

LIU Jiageng，ZHAO Meihong. Design and Imp1ementation of Dynamic Matching Equa1izer for E1ectric Vehic1e Power Battery Packs［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：188-195.（in Chinese）

Te1：024-72230056

E-mai1：zhaomeihong329@163.com