電動(dòng)汽車電池均衡控制設(shè)計(jì)

葉圣雙，錢祥忠

（溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325035）

電動(dòng)汽車電池均衡控制設(shè)計(jì)

葉圣雙，錢祥忠

（溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州325035）

針對(duì)電動(dòng)汽車電池組串聯(lián)使用過程中的不一致性并由此帶來的性能下降和壽命縮短的問題，設(shè)計(jì)了一種基于陣列選擇開關(guān)控制的均衡控制結(jié)構(gòu)，并提出了一種新的均衡控制策略；該控制策略根據(jù)單體電池電壓和設(shè)定閥值情況通過先配對(duì)再均衡的方法，如此不斷的循環(huán)往復(fù)直至整個(gè)電池組電壓趨于一致來實(shí)現(xiàn)電池組之間的均衡；最后對(duì)電池組在充電狀態(tài)下和非充電狀態(tài)下分別進(jìn)行了均衡實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，所提出的均衡控制方法具有均衡時(shí)間短、效率高、能夠完成電池組在各種情況下的均衡等優(yōu)點(diǎn)。

電動(dòng)汽車；電池均衡；不一致性；能量轉(zhuǎn)移

由于電池組內(nèi)各單體電池內(nèi)部特性參數(shù)的差異、自放電率的差異和工作溫度等的差異，在串聯(lián)使用過程中，會(huì)由于電池性能的不一致性造成串聯(lián)中的個(gè)別電池的過充電、過放電、過溫等影響電池性能和使用安全的問題，而這種情況會(huì)造成電池性能的快速惡化，最終導(dǎo)致整組電池?zé)o法正常工作，甚至于報(bào)廢[1-5]?？偟膩砜矗⒙?lián)的電池單體數(shù)量越多，電池組的一致性差異也越明顯，這樣對(duì)電池組性能的影響也越大[6-8]。因此，需要采用均衡技術(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)電池組的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，當(dāng)滿足均衡設(shè)定條件，則利用均衡器對(duì)電池組內(nèi)各電池單體進(jìn)行相應(yīng)的均衡處理，改善電池組電池單體間的不一致性[9-12]。

目前，大多數(shù)的均衡控制器往往只以孤立的電阻、電容和電感構(gòu)成。電阻耗能會(huì)增加能量的浪費(fèi)；電容均衡的實(shí)質(zhì)是以電池之間的電壓差來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)際中電池之間的電壓差值往往并不是很大，不可避免的會(huì)帶來電容均衡能力較差甚至不能均衡[13-15]；單個(gè)電感均衡在同時(shí)刻只能處在高電壓電池對(duì)其充電或者其對(duì)低電壓電池放電中的一種狀態(tài)，會(huì)加長均衡時(shí)間。另外一點(diǎn)，多數(shù)均衡器往往只具有充電時(shí)的均衡功能，這樣如果電動(dòng)汽車在行駛過程中或者閑置時(shí)出現(xiàn)某個(gè)單體電池不均衡的情況，均衡器則顯得無能為力，不可避免的會(huì)帶來電池壽命的下降。因此，需要重新設(shè)計(jì)一種均衡控制器，并提出一種相應(yīng)的控制策略，以應(yīng)對(duì)各種條件下的均衡情況。

文中提出在傳統(tǒng)cuk電路的基礎(chǔ)上，通過改進(jìn)利用陣列選擇開關(guān)構(gòu)成電池組均衡系統(tǒng)，以電壓為均衡變量，同時(shí)設(shè)計(jì)了一種新的均衡控制策略；該控制設(shè)計(jì)具有均衡電流連續(xù)，且能跨電池均衡的優(yōu)點(diǎn)，改變了以往電阻均衡、儲(chǔ)能均衡系統(tǒng)能量損耗大、均衡時(shí)間長等問題，提高了均衡效率的同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)充電和非充電兩種狀態(tài)下的均衡，有效緩解了電池組的不一致性問題，從而延長動(dòng)力電池組的使用壽命。

1 均衡電路工作原理

基于非耗散式均衡效率高的優(yōu)點(diǎn)，文中采用能量轉(zhuǎn)移式控制方法。其結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中均衡器根據(jù)測(cè)量的電壓值，通過陣列選擇開關(guān)（由開關(guān)信號(hào)控制）對(duì)各單體電池進(jìn)行配對(duì)，電壓較高的電池和電壓較低電池形成一個(gè)均衡對(duì)。陣列選擇開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是既能快速完成相鄰電池的均衡，又可以實(shí)現(xiàn)跨電池均衡，有效的克服了傳統(tǒng)的均衡電路只能在相鄰的電池間均衡或者只能實(shí)現(xiàn)單對(duì)單均衡的缺點(diǎn)，能有效縮短均衡的時(shí)間。通過電池單體的配對(duì)，將能量由電壓高的電池轉(zhuǎn)移到電壓低的電池中，直到所有電池達(dá)到均衡。

圖1 均衡器結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的均衡模塊電路如圖2所示，此電路為cuk電路，由電容C1、電感L1/L2、可控開關(guān)器件S1/S2和二極管D1/D2組成，每個(gè)均衡模塊由陣列選擇開關(guān)選擇配對(duì)加在2個(gè)需要均衡的單體電池上，可控開關(guān)均受PWM控制，從而保證電池的能量由高向低的轉(zhuǎn)移。因?yàn)閏uk電路電感具有升壓的作用，和傳統(tǒng)的電容均衡電路相比，能量轉(zhuǎn)移能力不受兩單體電池電壓差值的影響。此外，該電路處于均衡工作時(shí)，只需要對(duì)其中一個(gè)開關(guān)管進(jìn)行控制，就能夠完成能量的連續(xù)轉(zhuǎn)移，因此控制電路相對(duì)簡單。

圖2 均衡模塊電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)開關(guān)管的工作狀態(tài)，均衡模塊電路在一個(gè)周期可以工作在兩種模式下。在均衡模塊電路開始工作前，陣列選擇開關(guān)已經(jīng)將相應(yīng)單體電池接入形成均衡對(duì)。為便于分析，假設(shè)電池B1、B2的電壓U1高于U2。

工作模式1：S2斷開，t=0時(shí)開關(guān)管S1導(dǎo)通，電池U1的能量轉(zhuǎn)移到電感L1上，電容C1的能量轉(zhuǎn)移到電感L2上并同時(shí)對(duì)電池U2進(jìn)行充電均衡。此時(shí)電路分成左、右兩個(gè)回路如圖3所示。在左邊回路中電壓U1全部加到電感L1上，電感電流iL1線性增加。在右回路電容C1經(jīng)過電感L2放電。二極管D2在電容電壓Uc1的作用下反偏置而截止。對(duì)模式1工作電路進(jìn)行電路分析可得左回路公式（1）和右回路公式（2）：

其中，iL1和iL2分別為流過電感L1和L2的

電流，Uc1為電容兩端的電壓。

圖3 模式1工作電路

工作模式2：S2關(guān)斷，在t=Ton時(shí)開關(guān)管S1關(guān)斷，電池U1和L1上的能量轉(zhuǎn)移到電容C1上，同時(shí)電感L2繼續(xù)對(duì)電池U2進(jìn)行充電。此時(shí)二極管D2續(xù)流，形成以二極管D2為邊界的左、右兩個(gè)回路如圖4所示。電感L1和L2的電流全部流過二極管D2。在左回路中電池電壓U1通過電感L1給電容C1充電，由于電容C1的存在，充電時(shí)電容C1上的電壓Uc1增加不多，但電感L1的儲(chǔ)能因向電容C1轉(zhuǎn)移而使電流iL1下降，右邊回路中電感L2的電流iL2因向U2放電而下降。兩個(gè)電感電流的下降率分別為（3）式和（4）式，并且在t=T時(shí)，電流iL1達(dá)到最小值IL1min，電流iL2達(dá)到最小值IL2min。

圖4 模式2工作電路

在t=T時(shí)刻后，開關(guān)管S1又導(dǎo)通，開始下一個(gè)開關(guān)周期。設(shè)電路工作時(shí)占空比為D，開關(guān)周期為T=Ton+Toff。根據(jù)cuk電路的工作原理可得出電壓U2與電壓U1的關(guān)系為[16]：

如果電流iL1的負(fù)值最大值IL1min的絕對(duì)值，正好和電流iL2的最小值IL2min相等，則在t=T時(shí)，流過二極管D2的電流正好為零，這就是該電路連續(xù)和斷續(xù)模式的臨界條件。即

由（1）、（2）、（6）可得S1導(dǎo)通期間的iL1和iL2的增加量為?iL1和?iL2：

所以電流iL1和iL2的平均值IL1和IL2為：

假設(shè)均衡器的損耗為0，則根據(jù)功率平衡有U1IL1=U2IL2。將此式與以上（5）、（10）、（11）3式聯(lián)立即可解得ILmin的表達(dá)式：

若ILmin＞0則電路工作于連續(xù)模式，此時(shí)要求DL1/（1-D）-L2＞0，即需要D/（1-D）＞L2/L1，實(shí)際中常取L1=L2=L，所以占空比D滿足50%＜D＜100%。這樣整個(gè)S2斷開期間，均衡電流均連續(xù)，均衡電路都能保證U1的能量向U2轉(zhuǎn)移，提高了效率。由于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，當(dāng)電池電壓U2高于U1時(shí)，同樣可實(shí)現(xiàn)能量由U2到U1的轉(zhuǎn)移。

2 均衡控制策略

電池組的均衡控制主要包括電池配對(duì)階段和均衡階段?？刂七^程如圖5所示。Uˉ為電壓平均值，UTH為均衡控制的電壓閥值，當(dāng)電池組中電壓最高（Umax）電池和電壓最低（Umin）電池差值低于UTH時(shí)，即Umax-Umin＜UTH時(shí)均衡結(jié)束。當(dāng)電池組中存在Umax-Umin＞UTH時(shí)，說明電池組存在不均衡的電池，陣列選擇開關(guān)分別選擇將偏離電壓平均值較高的電池和較低的電池配對(duì)形成一個(gè)均衡對(duì)，當(dāng)均衡對(duì)中的2個(gè)電池差值絕對(duì)值超過電壓閥值UTH時(shí)，即|U1-U2|＞UTH時(shí)均衡啟動(dòng)。當(dāng)所有均衡對(duì)中的2個(gè)電池都達(dá)到|U1-U2|＜UTH時(shí)，一輪均衡結(jié)束，此后如果仍存在Umax-Umin＞UTH的情況，則繼續(xù)配對(duì)均衡，如此循環(huán)直至電池組達(dá)到均衡。電壓閥值的大小是影響電池組的均衡時(shí)間的因素之一，所以需要考慮均衡器的均衡能力，以及各單體電池的電壓差等因素。

通過這種均衡方法控制的電池組，即使存在電池電壓不同的單體，但由于有了均衡電路的均衡作用，通過電壓高的電池向電壓低的電池轉(zhuǎn)移能量，使得電池組的單體電池差異都能在正常范圍內(nèi)，只要均衡能力足夠，就可以最大化的消除不一致，從而起到保護(hù)電池的作用。

圖5 均衡控制過程

3 均衡實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的均衡控制方法的可行性，文中選取6節(jié)18650型鋰電池分別進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)，電池額定電壓3.7 V、額定容量6.8 AH，電池內(nèi)阻10 mΩ。均衡電路開關(guān)頻率設(shè)為10 kHz，閥值UTH取0.02 V。

3.1 充電狀態(tài)下的均衡實(shí)驗(yàn)

充電時(shí)6節(jié)電池初始電壓為2.81 V、3.15 V、3.24 V、3.35 V、2.95 V、3.48 V，均衡充電過程如圖6所示，由圖可看出開始時(shí)各單體電池電壓差值較大，隨著充電的進(jìn)行，電壓高的單體電壓上升較慢，電壓低的單體電壓上升較快，說明充電時(shí)電壓高的單體有在向電壓低的單體轉(zhuǎn)移能量，最后電壓趨于一致小于設(shè)定閥值并達(dá)到額定電壓，均衡充電效果明顯。

圖6 充電狀態(tài)下的均衡

3.2 非充電狀態(tài)下的均衡實(shí)驗(yàn)

單體電池初始電壓Bat1-Bat6分別為：4.09 V、3.59 V、3.95 V、3.43 V、3.11 V、3.81 V。均衡過程中的電壓如圖7所示，均衡結(jié)束時(shí)Bat1-Bat6單體電壓為3.76 V、3.75 V、3.75 V、3.74 V、3.74 V、3.75 V，電池電壓差值小于閥值0.02 V，達(dá)到了均衡的要求，均衡前后電壓對(duì)比情況如圖8所示。

圖7 非充電狀態(tài)下的均衡

由圖7和圖8可以看出，各單體電池初始電壓差別較大，隨著均衡的進(jìn)行，初始電壓高的電池隨時(shí)間變化電壓開始降低，初始電壓低的電池隨時(shí)間變化電壓開始上升，說明能量在由電壓高的單體向電壓低的單體轉(zhuǎn)移，最后各單體電池電壓趨于一致，均小于設(shè)定均衡閥值0.02 V，基本不受單體電池電壓差值限制，通過較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到了良好的均衡效果。從而驗(yàn)證了文中提出的均衡方法的可行性。

圖8 均衡前后電壓對(duì)比

4 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種基于陣列選擇開關(guān)控制的改進(jìn)型均衡器結(jié)構(gòu)，根據(jù)電壓差值和閥值的關(guān)系按照先配對(duì)后均衡的方法，通過能量轉(zhuǎn)移式均衡控制，實(shí)現(xiàn)能量由電壓高的電池向電壓低的電池轉(zhuǎn)移，結(jié)合所提出的控制策略不僅解決了電動(dòng)汽車傳統(tǒng)的充電狀態(tài)下的均衡，還能夠?qū)崿F(xiàn)非充電時(shí)狀態(tài)下的均衡，并且具有均衡時(shí)間相對(duì)較短、均衡效率高的優(yōu)點(diǎn)，有效的解決了各種情況下的電動(dòng)汽車電池組的不一致性問題。最后為了驗(yàn)證該均衡控制方法的有效性，進(jìn)行了充電均衡和非充電均衡的均衡實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，所提出的均衡方法能有效實(shí)現(xiàn)各單體電池電壓的均衡控制，均衡效果良好。

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Design of equalization control for battery of electric vehicle

YE Sheng?shuang，QIAN Xiang?zhong
（College of Physics and Electronic Information Engineering，Wenzhou University，Wenzhou325035，China）

Aiming at the inconsistency in the use of battery packs in electric vehicles and the performance degradation and shortening of lifetime，an equalization control structure based on array selective switch control is designed and a new equalization control strategy is proposed；The control strategy according to the single battery voltage and set the threshold situation by first pairing and then balanced method，so the constant cycle until the battery voltage is consistent to achieve the balance between the battery；Finally，the battery pack in the experimental results show that the proposed equalization control method has the advantages of short equilibration time，high efficiency and equalization of the battery pack under various conditions.

electric vehicle；battery balance；inconsistency；energy transfer

TN02

A

1674-6236（2017）22-0154-04

2016-10-24稿件編號(hào)：201610138

溫州大學(xué)研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目（3162015031）

葉圣雙（1987—），男，安徽阜陽人，碩士研究生。研究方向：電力電子裝備信息化。