電動汽車鋰電池均衡拓撲及策略的研究進展

蔣旭吟　朱紅　徐善紅　張偉　余昊

摘 要：鋰離子動力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低而被廣泛應(yīng)用于新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為動力的主要來源。然而，鋰離子動力電池系統(tǒng)在運行過程中，由于電池間電池特性參數(shù)、自放電率、溫度不均等因素使得電池單體間不可避免的存在一定的不一致性，這種不一致性若得不到及時有效的解決將會嚴重影響電池的使用效率。為此，本文對動力電池管理系統(tǒng)均衡控制拓撲及均衡控制策略展開研究，注重分析國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在的主要問題。

關(guān)鍵詞：均衡拓撲；均衡策略；動力電池系統(tǒng)

1 引言

由鋰離子電池組成的動力電池系統(tǒng)具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率小等特點而被廣泛應(yīng)用于新能源的各個領(lǐng)域，以減少溫室氣體的排放。然而，動力電池系統(tǒng)在充放電過程中受外部系統(tǒng)的影響使得電池的管理非常困難。此外，受外界工作環(huán)境的影響，電池在工作過程中極易產(chǎn)生不一致性，嚴重影響動力電池系統(tǒng)的使用效率。

為提高動力電池系統(tǒng)的一致性和使用安全，本文研究了動力電池系統(tǒng)均衡控制策略。

2 動力電池均衡管理策略

動力電池系統(tǒng)通常是由電池單體通過一定的方式連接而成。由于電池屬性參數(shù)的差異，導(dǎo)致電池單體會隨電池使用出現(xiàn)一定的不一致性。這種不一致得不到有效的解決將會影響電池使用效率。為此，通過有效的均衡拓撲和控制策略改善電池一致性，對于提高電池一致性具有重要意義。目前，常用的均衡控制方法按照能量耗散方式主要分為主動均衡和被動均衡。

2.1 被動均衡

被動均衡是將電池中多余的能量通過耗散型元器件以熱量的形式傳遞出去[1]。該方法實現(xiàn)簡單，無需復(fù)雜的控制策略。但會造成電池能量的浪費。常用的均衡控制策略主要包括：電壓均衡和SOC均衡。

2.1.1 壓差最優(yōu)的被動均衡控制策略

以壓差為最優(yōu)的被動均衡控制策略如圖1所示。其中電池單體電壓通過電池管理系統(tǒng)中的采樣單元獲得，主控單元通過計算電池的平均電壓V0控制電池均衡。該控制策略簡單且易于實現(xiàn)，但由于電池特性曲線平坦使得均衡效果較差。

2.1.2 SOC差最優(yōu)的被動均衡控制策略

以SOC的差值為最優(yōu)的被動均衡控制策略如圖2所示。該策略下，BMS通過計算電池單體的SOC，確定均衡電池，通過控制對用的控制回路實現(xiàn)電池均衡。該方法均衡效果較好，但計算復(fù)雜度較高。

2.2 主動均衡

不同于被動均衡，主動均衡通過能量轉(zhuǎn)移元件，將能量較多電池單體的能量轉(zhuǎn)換到能量較少的單體中，實現(xiàn)無損均衡[2]。常見的均衡控制拓撲主要包括：開關(guān)電容、DC/DC變換器、開關(guān)電感。

主動均衡的策略主要利用電池間電壓、SOC、能量之間等存在的差異，通過有效的控制均衡拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)。

如圖3所示的一種DC/DC均衡拓撲?？梢詫崿F(xiàn)電池單體與電池系統(tǒng)之間的能量轉(zhuǎn)移，最終達到均衡的目的。常用的主動均衡控制指標主要包括電壓最優(yōu)、SOC最優(yōu)、容量最優(yōu)、均衡時間最優(yōu)。相比于被動均衡，主動均衡的計算復(fù)雜度更高，控制策略復(fù)雜。但均衡效果更好，能夠更好的解決電池間的不一致性。

3 結(jié)語

為了確保動力電池系統(tǒng)的可靠運行，提高電池的使用效率，均衡是不可缺少的。目前，國內(nèi)的主要均衡方式主要包括被控均衡和主動均衡。對于主動均衡的控制策略大多以電壓、SOC、容量等作為均衡控制指標，常見的均衡拓撲主要包括開關(guān)電感法，DC/DC變換法等。在本文中著重對常用的幾種均衡控制拓撲及均衡控制策略展開研究，總結(jié)每種均衡的優(yōu)缺點。

參考文獻：

[1]Hua Y，Cordoba-Arenas A，Warner N，et al. A multi time-scale state-of-charge and state-of-health estimation framework using nonlinear predictive filter for lithium-ion battery pack with passive balance control[J]. Journal of Power Sources，2015，280：293-312.

[2]Aizpuru I，Iraola U，Canales J M，et al. Passive balancing design for Li-ion battery packs based on single cell experimental tests for a CCCV charging mode[C]//Clean Electrical Power（ICCEP），2013 International Conference on. IEEE，2013：93-98.