混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的均衡策略研究

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(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的均衡策略研究

張小榮，馮國勝，谷楓，邱文輝

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

電池組的均衡技術(shù)是電池管理系統(tǒng)(BMS)的最關(guān)鍵技術(shù)之一。均衡技術(shù)可以大大減小電池組中各單體電池之間的差異，有效防止過充電和過放電，維持電池組的平衡，從而延長(zhǎng)電池組的使用壽命，也極大地提高電池的使用效率。首先選擇了電池均衡的判斷標(biāo)準(zhǔn)，列舉了無損和有損均衡的利弊，并著重分析了基于電感、電容、變壓器等無損均衡方案，選擇基于變壓器的無損均衡，設(shè)計(jì)均衡電路與均衡控制策略，通過試驗(yàn)論證方案可行性，極大改善電池組各單體電池的不一致性。

電池管理系統(tǒng)；均衡控制策略；無損均衡

0 引言

由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車兼具傳統(tǒng)汽車和純電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)，使其成為新興能源汽車領(lǐng)域的翹楚，其關(guān)鍵技術(shù)之一就是動(dòng)力電池技術(shù)，而動(dòng)力電池組的不一致現(xiàn)象成為了電池技術(shù)急需解決的難題之一。電池組中的單體電池由于制造工藝和使用條件不同，其電壓、內(nèi)阻、容量也各有差異。如果在充放電過程中忽略這些差異，則會(huì)長(zhǎng)期導(dǎo)致過充電和過放電，造成電池容量和壽命的急劇下降。因此對(duì)這些電池的不一致性進(jìn)行合理的控制，就尤為重要。

1 電池組均衡標(biāo)準(zhǔn)

1.1 以電池SOC為均衡判斷標(biāo)準(zhǔn)

SOC表示電池的荷電狀態(tài)，是用來反映電池的剩余電量。SOC由電池的剩余容量與基準(zhǔn)容量的比值來表示

SOC=Q1/Q0。

(1)

式中，Q1為電池剩余容量；Q0為基準(zhǔn)容量。

以SOC作為電池組均衡的標(biāo)準(zhǔn)，首先將電池組中各個(gè)單體電池的SOC的平均值作為均衡目標(biāo)。當(dāng)電池組充放電的時(shí)候，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各單體電池的荷電狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)出與其他電池SOC相差較大的電池時(shí)，啟動(dòng)電池均衡系統(tǒng)，進(jìn)行均衡管理，直至差值小于設(shè)置的閾值。

1.2 以電池電壓為均衡判斷標(biāo)準(zhǔn)

以電壓作為均衡的判斷標(biāo)準(zhǔn)的前提是系統(tǒng)能夠采集到精確的電池電壓，當(dāng)單體電池中的最大壓差大于閾值電壓時(shí)，啟動(dòng)均衡系統(tǒng)，通過控制策略以保證各個(gè)單體電池電壓保持大致相同。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析表明，電池在充電的時(shí)候，剛開始時(shí)電池電壓曲線斜率較大，充電速度快。當(dāng)電池接近充滿電時(shí)，其電壓的曲線斜率平緩，充電速率降低；電池在放電時(shí)，起初各電池電壓變化幅度較小，接近放完電時(shí)，電壓變化幅度很大，因此從電池電壓的曲線上就可以很直觀地看出電池是否有過充電和過放電現(xiàn)象[1]。當(dāng)檢測(cè)到各個(gè)電池電壓不相同時(shí)，啟動(dòng)均衡控制系統(tǒng)使個(gè)別電池停止充電或者放電，從而防止了個(gè)別電池發(fā)生過充電或過放電，這樣保護(hù)了電池，延長(zhǎng)電池組的壽命。

1.3 均衡判斷標(biāo)準(zhǔn)的選擇

以電池SOC為均衡標(biāo)準(zhǔn)雖然具有很好的均衡效果且控制簡(jiǎn)單，是一種較為理想的均衡，但只局限于理論上可行。目前世界上還沒有能夠準(zhǔn)確計(jì)算電池SOC的方法，導(dǎo)致電池SOC的檢測(cè)結(jié)果存在很大誤差，這種均衡判斷標(biāo)準(zhǔn)短時(shí)間不會(huì)采用。雖然現(xiàn)在利用建立電池模型可以估算電池的SOC，但模型十分復(fù)雜，加上與電池的物理化學(xué)過程有關(guān)，對(duì)估算電池的SOC處理器要求很高，使得其應(yīng)用受到了限制[2]。

由于電池電壓易檢測(cè)并且比SOC測(cè)量精度要高得多。所以，目前大多采用電池電壓為均衡的標(biāo)準(zhǔn)。

2 均衡方案

2.1 有損均衡

有損均衡也稱作被動(dòng)均衡。該均衡方法是對(duì)電壓高的單體電池進(jìn)行放電以減小高電壓電池與其他電池的壓差來完成均衡的。實(shí)體電路簡(jiǎn)單直觀，就是每個(gè)單體電池通過一個(gè)開關(guān)并聯(lián)一個(gè)功率電阻。當(dāng)單體電池電壓過高需要均衡時(shí)，開關(guān)閉合，將電池多余的電量通過功率電阻放電轉(zhuǎn)化成熱能的形式完成放電過程，當(dāng)電壓下降到均衡目標(biāo)電壓后開關(guān)打開，停止均衡過程。

有損均衡簡(jiǎn)單可靠，便于控制。但是均衡效率太低，造成能量的浪費(fèi)，并且電阻放電產(chǎn)生的熱量進(jìn)一步加劇了電池組的不一致性，使得箱體內(nèi)的溫度升高，不便于電池組的熱管理[3]。所以該均衡方案不適合超級(jí)電容和快速充放電的電池組的應(yīng)用，較適合應(yīng)用于充電模式下抑制最強(qiáng)的電池單元的電壓爬升。

2.2 無損均衡

無損均衡也稱為主動(dòng)均衡，主要是通過一些儲(chǔ)能元件，比如電容、電感、變壓器使能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移，將單體電池電壓高的電池能量轉(zhuǎn)移到電壓低的電池，實(shí)現(xiàn)電池組的均衡。

2.2.1 基于功率電感的無損均衡

通過電感實(shí)現(xiàn)電池組中壓差最大的兩個(gè)單體電池之間的能量轉(zhuǎn)換，稱作“飛度電感法”[4]。電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中兩個(gè)MOSFET管MOS1和MOS2作為功率開關(guān)用來控制均衡電路的開啟和關(guān)閉；D1和D2為續(xù)流二極管，為放電回路提供放電通道；L為均衡電路主要器件——功率電感，作為能量轉(zhuǎn)移的載體；R為L(zhǎng)的消磁電阻，用于釋放均衡過程中多余的能量；B1和B2為假定需要均衡的兩塊單體電池。

電池組在工作過程中，檢測(cè)B1和B2兩端的電壓，判斷是否滿足均衡條件。當(dāng)二者壓差大于預(yù)先設(shè)定的閾值電壓時(shí)，開啟均衡模式。假設(shè)B2>B1，均衡開啟后，整個(gè)過程分為B2放電、B1充電、L消磁3個(gè)階段。

放電過程：軟件控制命令MOS1閉合，MOS1、L、B2形成放電回路，B2開始放電，使得部分電能存儲(chǔ)在L中。

充電過程：軟件控制命令MOS2閉合，MOS1斷開，使得MOS2、L、B1形成充電回路，L對(duì)B1進(jìn)行充電。隨著充電時(shí)間的增加，充電電流隨之減小，當(dāng) L兩端電壓低于B1和MOS2的導(dǎo)通電壓時(shí)，充電過程隨之結(jié)束。

L消磁過程：當(dāng)充電過程結(jié)束時(shí)，L兩端電壓并不為0，只是不足以繼續(xù)對(duì)B1進(jìn)行充電而已，但其內(nèi)部仍有能量剩余。為保證電路參數(shù)的穩(wěn)定，增加了消磁電阻R。充電過程結(jié)束時(shí)，L、R、MOS2以及B1組成諧振電路，耗散L中的部分剩磁，確保下次均衡過程的穩(wěn)定[5]。

該設(shè)計(jì)方案以電感作為能量轉(zhuǎn)移的載體，實(shí)現(xiàn)了均衡電路的雙向均衡，是行之有效的均衡方法。

2.2.2 基于變壓器的無損均衡

變壓器均衡電路不同于其他無損均衡系統(tǒng)，它的均衡過程發(fā)生在單體電池與整個(gè)電池組之間。當(dāng)某單體電池電壓過高時(shí)，通過并接在該電池上的繞組將多余的能量傳輸?shù)诫姵亟M，此為頂部均衡法；當(dāng)某單體電池電壓過小時(shí)，整個(gè)電池組的能量通過并接在該電池上的繞組傳輸?shù)皆撾姵貎?nèi)，實(shí)現(xiàn)底部均衡，起到“削峰填谷”的效果。眾所周知，變壓器有隔離負(fù)載的作用，此作用也適用于均衡電路。

基于變壓器的無損均衡電路原理如圖2所示。每個(gè)變壓器的原邊并聯(lián)后，通過MOS管連接到整個(gè)電池組的正負(fù)極，副邊通過功率二極管與每個(gè)單體電池并聯(lián)。當(dāng)檢測(cè)到某一電池電壓過低時(shí)，控制MOS管導(dǎo)通，啟動(dòng)均衡，電池組通過變壓器，對(duì)該電池進(jìn)行充電，此時(shí)二極管處于正向?qū)顟B(tài)，完成底部均衡[6]。頂部均衡過程相反。

圖1 基于功率電感的無損均衡

圖2 基于變壓器的無損均衡電路

2.2.3 基于電容的無損均衡

電池組的均衡過程中，以電容充當(dāng)能量轉(zhuǎn)移載體的均衡稱為“飛度電容法”[4]。電容器在單體電壓最高和最低的電池中并聯(lián)切換，完成電量從高電壓電池向低電壓電池的轉(zhuǎn)移。其中對(duì)參加均衡的兩塊電池的位置無要求，均衡效果不受影響。均衡過程中的電流大小與單體電池的壓差成正比，均衡的起初，電流大，隨著時(shí)間的增加，壓差趨于平緩，電流也隨之減小，直至均衡的關(guān)閉，電流降為0。其中均衡后期由于電容與電池的電壓趨于相等，使得均衡速率緩慢。

基于電容的無損均衡分為分散式和集中式兩種。集中式均衡如圖3所示。所需電子開關(guān)數(shù)比單體電池?cái)?shù)多一個(gè)，電容器只需一個(gè)。假定首末兩端的電池壓差最大，且B1>B4，壓差大于閾值電壓，需要均衡，則開啟均衡。分為電容充電和放電兩部分。

電容充電過程:軟件系統(tǒng)控制命令S1和S2開關(guān)閉合，B1對(duì)電容充電，當(dāng)電容兩端電壓與B1電壓持平時(shí)，充電過程結(jié)束。

電容放電過程:軟件系統(tǒng)控制命令S1和S2開關(guān)斷開，S4和S5開關(guān)閉合，電容對(duì)B4充電，二者電壓持平時(shí)，放電過程結(jié)束。至此，B1的多余電量通過電容載體轉(zhuǎn)移至B4中，完成均衡。

與集中式均衡對(duì)應(yīng)的是分散式均衡。均衡電路如圖4所示。所需電子開關(guān)數(shù)與單體電池?cái)?shù)相同，電容器的個(gè)數(shù)比電池?cái)?shù)少一個(gè)。每個(gè)電容通過雙向開關(guān)與對(duì)應(yīng)的電池并聯(lián)。假定B1與B3的壓差最大，且B1>B3，壓差大于閾值電壓，開啟均衡。

電容充電過程：軟件系統(tǒng)控制命令開關(guān)S1和S2撥向左側(cè)，B1對(duì)C1進(jìn)行充電，電容電壓與電池電壓持平時(shí)，充電過程結(jié)束。

電容放電過程：軟件系統(tǒng)控制命令開關(guān)S1和S2撥向右側(cè)，C1對(duì)B2進(jìn)行充電，二者電壓持平時(shí)，放電過程結(jié)束。

至此，完成電量從B1到B2的轉(zhuǎn)移。然后電量再從B2轉(zhuǎn)移到B3，轉(zhuǎn)移過程同上。至此，均衡過程完成。

分散式均衡控制簡(jiǎn)單直觀，對(duì)采集電壓的精度要求不高。但是電量轉(zhuǎn)移過程過于繁瑣，如果參加均衡的兩個(gè)單體電池位于電池組首末兩端，則整個(gè)電池組的電池都要參與均衡過程，浪費(fèi)時(shí)間和能量且效率低下。集中式均衡相對(duì)節(jié)省器件，只需要一個(gè)電容，自然能量損耗也相對(duì)減少，并且針對(duì)性強(qiáng)，只有壓差最大的兩個(gè)單體電池參與均衡過程，加快了均衡速度。但受制于電容數(shù)量少，導(dǎo)致效率不高也是難免的，且控制方法相對(duì)復(fù)雜[7]。

圖3 基于電容的集中式無損均衡

圖4 基于電容的分散式無損均衡

3 實(shí)例驗(yàn)證

綜上所述，采用基于變壓器的無損均衡作試驗(yàn)效果驗(yàn)證。

下面就變壓器無損均衡進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。電路如圖5所示。均衡電路的核心為正激式變壓器，采樣雙向DC—DC變換器。電池組由6塊單體電池組成，每節(jié)電池通過功率開關(guān)管連接到變壓器副邊繞組。變壓器的原邊也通過開關(guān)連接到電池組總的正負(fù)極。假設(shè)第四節(jié)電池電壓最高，且壓差大于閾值電壓，則均衡開啟：MOS1、MOS3、MOS4導(dǎo)通，軟件控制MOS2以200 kHz、85%的占空比導(dǎo)通變壓器的副邊，通過變壓器電磁轉(zhuǎn)換將第一節(jié)電池的能量轉(zhuǎn)移到電池組上完成頂部均衡。同理，當(dāng)?shù)谒墓?jié)電池電壓最低時(shí)，MOS4、MOS2、MOS3導(dǎo)通，軟件控制MOS1以200 kHz、85%的占空比導(dǎo)通變壓器的原邊，將電池組的能量轉(zhuǎn)移到第一節(jié)電池上，完成底部均衡。

圖5 基于變壓器的無損均衡電路設(shè)計(jì)

3.1 均衡控制策略

防止過充電均衡：?jiǎn)误w電池最大壓差大于閾值電壓(10 mV)時(shí)，電壓最高的單體電池將能量轉(zhuǎn)移到整個(gè)電池組，當(dāng)壓差小于閾值電壓時(shí)，停止均衡，完成頂部均衡。

防止過放電均衡：?jiǎn)误w電池最大壓差大于閾值電壓(10 mV)時(shí)，整個(gè)電池組將能量轉(zhuǎn)移到電壓最低的單體電池，當(dāng)壓差小于閾值電壓時(shí)，停止均衡，完成底部均衡。

3.2 試驗(yàn)效果驗(yàn)證

取5節(jié)荷電狀態(tài)為180 A·h、標(biāo)稱電壓12 V的鉛酸蓄電池，1節(jié)同等規(guī)格的荷電狀態(tài)幾乎為0的鉛酸電池，共6節(jié)電池串聯(lián)成組，開啟均衡，閾值電壓設(shè)置為10 mV，12 h后停止均衡。

使用DSS1K8E智能電池容量檢測(cè)儀對(duì)電池組放電，設(shè)置放電電流為25 A，放電單體閾值電壓設(shè)置為3 V(則電池組串聯(lián)電壓為3×6=18 V)，單體保護(hù)閾值電壓設(shè)置為2.8 V(當(dāng)單體最小電壓低于2.8 V時(shí)停止放電)。為提高試驗(yàn)結(jié)果精度，進(jìn)行二次均衡與二次放電。試驗(yàn)結(jié)果記錄于表1。

表1 試驗(yàn)結(jié)果

電池組無損均衡后放電總量為：596.748+214.428=811.176(A·h)。

電池組均衡之前總荷電狀態(tài)為：180×5=900(A·h)。

均衡轉(zhuǎn)移效率為：811.176÷900≈90.1%。

4 結(jié)束語

通過分析論證了電池組均衡技術(shù)的各種方案，并根據(jù)各自的優(yōu)缺點(diǎn)做了分析研究。其中有損均衡因其諸多弊端而被市場(chǎng)淘汰。無損均衡中行之有效的是基于功率電感和變壓器的均衡方案。兼顧經(jīng)濟(jì)與實(shí)用性，基于變壓器的雙向無損均衡方案，對(duì)鉛酸蓄電池組進(jìn)行均衡管理，由試驗(yàn)結(jié)果可看出，其均衡效率可高達(dá)90%，能量耗散小，便于熱管理。其均衡時(shí)的大電流大大減少了均衡時(shí)間，對(duì)混合動(dòng)力汽車的電池管理系統(tǒng)具有實(shí)用意義，應(yīng)用前景廣闊。

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ResearchonEquilibriumStrategyofHybridElectricVehicleBatteryManagementSystem

ZhangXiaorong,FengGuosheng,GuFeng,QiuWenhui

(Department of Electrical and Electronic Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Battery pack equalization technology is one of the most critical technologies in battery management system (BMS). Equalization technique can greatly reduce the difference between each single battery in the battery, effectively prevent overcharge and overdischarge, maintain battery balance, thereby prolonging the service life of the battery, and also greatly improve the use efficiency of the battery. This paper first selects the standard for battery equalization, enumerates the advantages and disadvantages of lossless balance and loss balance, and emphatically analyzes the inductance and capacitance, transformer and other lossless equalization scheme based on lossless transformer. Based on equilibrium selection, equalization circuit and balanced control strategy is designed, which is proved feasible, greatly improved the inconsistency between single cells of the battery group.

battery management system;balance control strategy;lossless equalization

U463.63+3

A

2095-0373(2017)04-0068-05

2016-09-09責(zé)任編輯車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.04.13

河北省引進(jìn)留學(xué)人員資助項(xiàng)目(C2015005019)；石家莊市科研計(jì)劃項(xiàng)目(161080401A)

張小榮(1990-), 男,碩士研究生,主要從事混合電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究。E-mail: 18732190686@163.com

張小榮，馮國勝，谷 楓，等.混合動(dòng)力汽車電池管理系統(tǒng)的均衡策略研究[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2017,30(4):68-72.