電動(dòng)汽車(chē)電池組分級(jí)均衡充電方法的對(duì)比研究

康 斌，譚曉軍，陳維杰

(中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州510275)

電動(dòng)汽車(chē)電池組分級(jí)均衡充電方法的對(duì)比研究

康 斌，譚曉軍，陳維杰

(中山大學(xué)工學(xué)院，廣東廣州510275)

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)電池組的特點(diǎn)，基于當(dāng)前較為先進(jìn)的非耗散型均衡技術(shù)，提出了兩種分級(jí)均衡充電方法，并對(duì)所提出的策略進(jìn)行對(duì)比分析。兩種方案都利用了非耗散型均衡效率較高的特點(diǎn)，結(jié)合分級(jí)控制的概念，可有效適應(yīng)包括電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的大型電池組均衡應(yīng)用情景。與傳統(tǒng)的耗散型均衡相比，所提出的兩種均衡方法減少了均衡充電時(shí)間，且能耗明顯降低，從而降低了電池組熱管理的難度，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

電動(dòng)汽車(chē)；電池管理系統(tǒng)；均衡控制

Abstract:Based on the updated active equalization technology,two hierarchical balance control schemes were proposed to charge the electric vehicle battery.The two schemes were then simulated with typical battery samples and the results were compared with the traditional passive solution.The proposed schemes both took advantage of active balance with its high efficiency,and were applicable to the power batteries on electric vehicles with the hierarchical control strategy.Compared with traditional passive equalization,the proposed methods were faster with lower energy consumption,which reduced the difficulty of thermal management and would be more practical on electric vehicles.

Key words:electric vehicle;battery management system;equalized charging

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池普遍存在不一致的問(wèn)題，這種不一致通常表現(xiàn)為電池容量的不一致，電池當(dāng)前剩余電量(SoC)不一致，電池內(nèi)阻不一致以及電池自放電速率不一致等多個(gè)方面[1]。電池不一致所引起的短板效應(yīng)將使電池組內(nèi)的電池不能完全充滿，從而降低了電池組的整體有效容量。在電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用中，由于電池?cái)?shù)量多，這樣的問(wèn)題尤為突出。

為解決這一問(wèn)題，在電動(dòng)汽車(chē)的電池管理系統(tǒng)中，通常設(shè)置了均衡充電的功能，即在電池組充電的過(guò)程中，對(duì)電池進(jìn)行均衡控制，從而使得各個(gè)單體電池的剩余電量達(dá)到一致。關(guān)于均衡充電，研究人員已經(jīng)提出了不少的方法，大致可以歸納為“耗散型”與“非耗散型”兩大類。耗散型均衡控制相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)；非耗散型均衡可通過(guò)電池間的電量轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)高效均衡，但控制相對(duì)復(fù)雜。非耗散型均衡方案又可根據(jù)轉(zhuǎn)移器件的不同分為電容類[2]、電感類[3]及互感器[4]類。然而這些均衡方案往往只能實(shí)現(xiàn)能量的單向傳導(dǎo)，而且各電池間的均衡操作需要分步進(jìn)行，靈活性受到一定限制。

為此，凌力爾特公司于2013年推出LTC3300芯片，使得非耗散型均衡控制得到了優(yōu)化。高集成度、靈活的控制模式及良好的可擴(kuò)展性是基于該芯片進(jìn)行均衡控制的主要優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該芯片所構(gòu)造的均衡控制電路，能實(shí)現(xiàn)較高的能量轉(zhuǎn)移效率，支持能量的雙向傳導(dǎo)以及同步均衡，從而進(jìn)一步提高均衡效率。然而，LTC3300更適合用于小電池組(典型地，6至12個(gè)電池)，對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)上所使用的大規(guī)模電池組(典型地，串聯(lián)數(shù)量超過(guò)100個(gè))，基于能量轉(zhuǎn)移的非耗散型均衡是不現(xiàn)實(shí)的。

為了克服以上不足，本文從電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，提出了兩種基于LTC3300的二級(jí)均衡方案，可適應(yīng)包括電動(dòng)汽車(chē)在內(nèi)的大型電池組應(yīng)用情景。兩種方案都將電池組分為若干個(gè)電池模塊，模塊內(nèi)基于LTC3300均衡電路實(shí)施LLB(Low-level Balancing)控制策略，模塊與模塊之間進(jìn)行HLB(High-level Balancing)控制策略。在實(shí)現(xiàn)HLB控制的過(guò)程中兩種方案采用了不同的形式：其一是為每個(gè)電池模塊分配獨(dú)立的小型充電機(jī)進(jìn)行補(bǔ)電，其二是為每個(gè)電池模塊配置一個(gè)耗散旁路電阻。本文將對(duì)這兩種不同的方案進(jìn)行描述并對(duì)其有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 基于LTC3300的模塊內(nèi)均衡

圖1所示為基于1片LTC6804和2片LTC3300芯片所配置的BMS子板，其中LTC6804負(fù)責(zé)監(jiān)控每節(jié)電池的狀態(tài)，而LTC3300負(fù)責(zé)控制能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)組內(nèi)均衡(LLB)。其中能量轉(zhuǎn)移的方式具有雙向性與同步性兩方面特點(diǎn)，既可對(duì)單體電池進(jìn)行放電，并轉(zhuǎn)移給整個(gè)模塊，也可由整個(gè)模塊統(tǒng)一放電，為單體電池補(bǔ)電，而且各單體電池的均衡操作可以同時(shí)進(jìn)行互不干擾，從而提高了組內(nèi)均衡的效率。理論上這種LLB策略可以實(shí)現(xiàn)3個(gè)及以上任意數(shù)量電池的均衡，但對(duì)于電池?cái)?shù)量較多的情景，長(zhǎng)距離的能量傳輸以及復(fù)雜的控制將大大降低均衡的實(shí)際效率，因此對(duì)于大型電池組而言，需要配合模塊化以及HLB策略彌補(bǔ)一次均衡的不足。本文提出以下兩種不同的解決途徑。

圖1 基于LTC3300的電池模塊(12節(jié)電池)

2 方法一：運(yùn)用小型獨(dú)立充電機(jī)進(jìn)行模塊間均衡

為每個(gè)模塊配置一個(gè)小型充電機(jī)，可以用較小的功率，對(duì)SoC較低的模塊進(jìn)行獨(dú)立充電，如圖2所示。

圖2 運(yùn)用小型獨(dú)立充電機(jī)進(jìn)行模塊間均衡

圖2中，每個(gè)充電機(jī)只能為相應(yīng)的電池模塊進(jìn)行單獨(dú)充電，而不影響其他模塊。這里所提及的“小型”、“小功率”都是相對(duì)于能對(duì)整個(gè)電池組充電的“大型”充電機(jī)而言的。因?yàn)檫@些獨(dú)立充電機(jī)一般是與BMS一起安裝在車(chē)上的，若功率太大不僅難以安裝，而且從經(jīng)濟(jì)成本來(lái)看也不劃算。

配置了小型獨(dú)立充電機(jī)以后，二級(jí)均衡可以按照以下步驟進(jìn)行：

(1)利用第1節(jié)的模塊內(nèi)均衡方法對(duì)各模塊進(jìn)行LLB均衡。當(dāng)每個(gè)模塊內(nèi)的最高與最低電壓之差均小于閾值U1時(shí)，模塊內(nèi)均衡完成，進(jìn)入(2)。

(2)利用外置的大型充電機(jī)，對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行充電，直到電池組內(nèi)任意一個(gè)電池達(dá)到電壓保護(hù)上限，進(jìn)入(3)。

(3)利用小型充電機(jī)分別對(duì)模塊進(jìn)行小功率充電(HLB)，直至模塊內(nèi)任一電池充滿，進(jìn)入(4)。

(4)如果電池組內(nèi)最高電壓與最低電壓小于閾值U2，則HLB均衡充電完成，均衡操作結(jié)束。否則跳到(1)進(jìn)行下一輪LLB均衡。

在上述步驟中，只要根據(jù)電壓傳感器及電池的特性選擇U1、U2，并使得U1＜U2，則可保證電池間的SoC 差距逐漸縮小，最終收斂于充滿狀態(tài)。

3 方法二：運(yùn)用旁路電阻進(jìn)行模塊間均衡

不難理解，方法一屬于非耗散型均衡，能量效率高；然而，因?yàn)槊總€(gè)模塊都要配備小型充電機(jī)，成本較高，可以采用方法二，即為每個(gè)模塊配置一個(gè)旁路電阻，用耗散型的方法實(shí)現(xiàn)模塊之間的均衡(HLB)，如圖3所示。

圖3 運(yùn)用旁路電阻進(jìn)行模塊間均衡

與方法一相比，方法二用旁路電阻取代了小型獨(dú)立充電機(jī)，相比之下，成本和占用空間都減少了，其缺點(diǎn)是損耗了電池組荷帶的能量并隨之增加了電池組內(nèi)熱管理的難度。

配置了旁路電阻以后，二級(jí)均衡可以按照以下步驟進(jìn)行：

(1)利用第1節(jié)的模塊內(nèi)均衡方法對(duì)各模塊進(jìn)行LLB均衡。當(dāng)每個(gè)模塊內(nèi)的最高與最低電壓之差均小于閾值U1時(shí)，模塊內(nèi)均衡完成，進(jìn)入(2)。

(2)將每個(gè)模塊狀態(tài)標(biāo)志置為0。

(3)利用外置的大型充電機(jī)為整個(gè)電池組充電，直至任一電池充滿，并對(duì)最先充滿的電池所在的模塊更改狀態(tài)標(biāo)志為1。

(4)判斷各模塊的狀態(tài)標(biāo)志，若均為1，跳至步驟(6)，否則進(jìn)入步驟(5)。

(5)利用耗散電阻對(duì)狀態(tài)標(biāo)志為1的小組放電1min(HLB)。放電后返回步驟(3)。

(6)此時(shí)各模塊均已充電至預(yù)設(shè)范圍。判斷電池組內(nèi)最高電壓與最低電壓之差是否在閾值U2內(nèi)，若是則視為全局均衡完成，無(wú)須進(jìn)一步操作；否則視為電量差異未達(dá)到要求，返回步驟(1)進(jìn)行下一輪LLB均衡控制。

在上述步驟中，U1、U2的取值可參照方法一，根據(jù)電壓傳感器及電池的特性選擇，并使得U1＜U2，則可保證電池間的SoC差距逐漸縮小，最終收斂于充滿狀態(tài)。

4 均衡控制建模

為對(duì)所提方法進(jìn)行有效性分析，需要先建立動(dòng)力電池和均衡電路的等效模型以及根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)識(shí)別。

4.1 電池模型的建立

近年來(lái)，有不少學(xué)者都嘗試用“等效電路模型”模擬動(dòng)力電池的特性[5]，即通過(guò)建立一個(gè)二端口電路網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述電池在工作過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的電壓與電流之間的外特性關(guān)系。

我們于2011年提出一種等效電路模型，并將其運(yùn)用于動(dòng)力電池剩余電量的估算，取得了良好的效果[1]。模型主要由等效電壓源與等效阻抗兩個(gè)部分組成，如圖4所示。

圖4 動(dòng)力電池等效電路模型

圖4中等效電壓源由兩個(gè)受控電壓源組成，其一反映電池的電動(dòng)勢(shì)特性，其二反映動(dòng)力電池的開(kāi)路電壓滯回特性；等效阻抗由一個(gè)三階阻容電路表示，主要考慮了電池的歐姆內(nèi)阻以及極化內(nèi)阻特性。文獻(xiàn)[6]中給出了電池模型中各個(gè)參數(shù)的辨識(shí)方法。

4.2 均衡電路模型的建立

均衡過(guò)程中電池組能量的消耗主要表現(xiàn)在三個(gè)方面：均衡控制電路板上的能量損耗(簡(jiǎn)稱“板耗”)、導(dǎo)線上的能量損耗(簡(jiǎn)稱“線損”)以及電池內(nèi)部損耗(簡(jiǎn)稱“電池內(nèi)耗”)。其中，板耗主要與均衡電路板上的元器件相關(guān)，主要表現(xiàn)為變壓器的損耗以及開(kāi)關(guān)管的損耗。此外，線損往往因?yàn)閿?shù)量級(jí)太小而被忽視。但事實(shí)上，在均衡電路中，由于能量的轉(zhuǎn)移在同一條導(dǎo)線上持續(xù)、反復(fù)地進(jìn)行，因此導(dǎo)線上的能量損耗會(huì)被累積，必須在能耗建模時(shí)考慮其大小。

據(jù)此可以建立起兩種均衡方案的能耗模型。根據(jù)實(shí)測(cè)試驗(yàn)可標(biāo)定模型所需的如均衡效率、實(shí)際均衡電流、線阻等參數(shù)信息。

5 均衡充電方法的有效性分析

要比較不同的均衡充電方法，需要將不同的方法用于具有相同“不一致性”的電池組樣本。然而，由于電池組“不一致”的可能情況有很多種，不可能對(duì)每種情況進(jìn)行測(cè)試，因此可以根據(jù)所建立的模型，對(duì)各種可能的情況進(jìn)行過(guò)程仿真，對(duì)比不同方法的能量消耗及時(shí)間消耗情況，最后結(jié)合相應(yīng)不同方案的器件成本，全面進(jìn)行對(duì)比。

5.1 仿真樣本的選擇

本文選用的仿真樣本為：一個(gè)由96個(gè)100 Ah動(dòng)力電池組成的串聯(lián)電池組，其中每12個(gè)電池作為一個(gè)模塊，共有8個(gè)模塊。為了反映電池的不一致性，每個(gè)電池的初始SoC有兩種可能的取值(90%或100%)，共有296約7.9×1028種可能的情況，可認(rèn)為已歷遍所有情況，具有代表性。由于很多樣本的均衡過(guò)程是等效的，因此計(jì)算機(jī)仿真時(shí)可以只考慮獨(dú)立不重復(fù)的情況，從而提高仿真效率。

5.2 兩種均衡充電方法的對(duì)比分析

根據(jù)以上的仿真樣本及參數(shù)設(shè)定，對(duì)所有情況進(jìn)行仿真，得到各方法對(duì)相同樣本進(jìn)行均衡充電的能量消耗及時(shí)間消耗結(jié)果，對(duì)比分析如下。

(1)能量消耗對(duì)比

直方圖是統(tǒng)計(jì)樣本頻數(shù)的有效工具，用直方圖分析兩種分級(jí)均衡充電方案對(duì)于傳統(tǒng)耗散型方法的相對(duì)能耗，如圖5所示。以30%～39%區(qū)間為例解釋該圖的生成方法：96個(gè)電池，總共有296(≈7.92×1028)種可能的樣本，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算，共有約5.17×1028個(gè)樣本在利用方法一進(jìn)行均衡充電時(shí)，相對(duì)能量消耗落在30%～39%的區(qū)間，而利用方法二進(jìn)行均衡充電時(shí)，共有約1.07×1028個(gè)樣本的相對(duì)能耗落在該區(qū)間，據(jù)此畫(huà)出直方圖中30%～39%區(qū)間的兩個(gè)柱子高度，用不同底紋表示。

圖5 相對(duì)能量消耗統(tǒng)計(jì)直方圖

由圖5可見(jiàn)，利用方法一進(jìn)行均衡充電的能量消耗大概為傳統(tǒng)耗散型方法的20%～49%，其中以落在30%～39%區(qū)間的樣本為最多；方法二的能量消耗大概為傳統(tǒng)耗散型方法的30%～89%，其中以落在40%～49%區(qū)間的樣本為最多。表1是對(duì)所有樣本分別用傳統(tǒng)耗散型方法以及本文的兩種方法實(shí)施均衡充電的能量消耗統(tǒng)計(jì)值，其中最后一行是本文兩種方法分別與傳統(tǒng)方法比較的能耗節(jié)約百分比。

表1 各均衡充電方法的能量消耗對(duì)比

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析可知：

由圖5可見(jiàn)，所提出的兩種均衡充電方法都比傳統(tǒng)耗散型的方法的能耗小。這樣的結(jié)果是必然的，因?yàn)樗岢龅膬煞N方法都在LLB環(huán)節(jié)加入了非耗散型均衡控制，對(duì)不一致的能量進(jìn)行了轉(zhuǎn)移，減少了總體能量損耗；而傳統(tǒng)方法只有通過(guò)旁路電阻進(jìn)行能量耗散作為唯一手段；

由圖5和表1可見(jiàn)，方法一比方法二能耗更小，更加節(jié)能。這是因?yàn)?，方法一在進(jìn)行HLB控制時(shí)采用的是非耗散型的方式，而方法二則是在這一環(huán)節(jié)采用了旁路電阻耗散的方法；

由表1可見(jiàn)，方法一的最大能量消耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種方法，這意味著該方法對(duì)應(yīng)的電池系統(tǒng)的熱管理難度將大大降低。

(2)時(shí)間消耗對(duì)比

利用直方圖分析兩種分級(jí)均衡充電方案對(duì)于傳統(tǒng)耗散型方法的相對(duì)時(shí)間消耗，如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，本文提出的兩種方法的時(shí)間消耗大概為傳統(tǒng)耗散型方法的50%～99%，其中以落在85%～89%區(qū)間的樣本為最多。表2是對(duì)各種均衡充電的時(shí)間消耗統(tǒng)計(jì)值，其中最后一行是本文兩種方法分別與傳統(tǒng)方法比較的時(shí)間節(jié)約百分比。

圖6 相對(duì)時(shí)間消耗統(tǒng)計(jì)直方圖

表2 各均衡充電方法的時(shí)間消耗對(duì)比

對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析可知：

由圖6可見(jiàn)，所提出的兩種方法都比傳統(tǒng)方法節(jié)約了均衡的時(shí)間。這是由于兩種方法在LLB環(huán)節(jié)利用的非耗散型均衡能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向轉(zhuǎn)移，在均衡電流相同的情況下，比單純的耗散型方法所需均衡速度更快；

由圖6和表2可見(jiàn)，所提出的兩種方法均衡時(shí)間節(jié)約率大概在15%左右，而前面就能耗節(jié)約率而言，兩種方法分別可以達(dá)到64.52%和49.58%，這是因?yàn)閮煞N方法都只能通過(guò)LLB環(huán)節(jié)提升均衡速度，而在HLB環(huán)節(jié)的均衡速度與傳統(tǒng)方法是一致的；

由圖6和表2可見(jiàn)，方法一和方法二相比，其均衡時(shí)間的分布區(qū)間相仿，平均值大小相近，相差不大。

6 結(jié)論

以上針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)際應(yīng)用，提出了兩種基于LTC3300的分級(jí)均衡充電控制方法，并以典型的電動(dòng)汽車(chē)電池組作為對(duì)象進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，所提出的兩種方法與傳統(tǒng)的耗散型均衡控制方法相比，在時(shí)間消耗和能量消耗兩個(gè)指標(biāo)上均有不同程度的降低，其中能耗節(jié)約更為明顯。當(dāng)然，與傳統(tǒng)耗散型均衡方式相比，所提出的兩種方法在成本上均有增加(對(duì)于96串電池系統(tǒng)，按照當(dāng)前價(jià)格，以上的方法一將使每臺(tái)車(chē)成本增加1200元，方法二使每臺(tái)車(chē)增加900元)，但由于均衡過(guò)程中減小了能耗，降低了熱管理的難度，并有助于延長(zhǎng)電池壽命，因此仍然值得推廣。

[1]譚曉軍.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].廣州：中山大學(xué)出版社，2011：118-141.

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Comparative research on hierarchical equalized charging schemes for electric vehicle battery

KANG Bin,TAN Xiao-jun,CHEN Wei-jie
(Sun Yat-sen University,Guangzhou Guangdong 510275,China)

TM 912

A

1002-087X(2017)09-1338-03

2017-02-21

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014B090901050；2015-B010135006)

康斌(1992—)，男，江西省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)。

譚曉軍(1977—)，男，廣東省人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，智能識(shí)別與智能控制等。