動(dòng)力電池組在充放電模式下的均衡控制

肖新山

（黑龍江特通電氣股份有限公司，黑龍江 哈爾濱150028）

動(dòng)力電池組有單體電池按照特定的順序組合而成，受單體電池制造工藝的限制單體電池在電池容量、內(nèi)阻、衰減特性方面有所偏差。動(dòng)力電池組在充放電過(guò)程中單體電池間的SOC 不一致將導(dǎo)致單體電池在充放電過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)充、欠充、過(guò)放等問(wèn)題，動(dòng)力電池組中單體電池在充放電過(guò)程中的不均衡將容易造成單體電池的損壞。為解決上述問(wèn)題需要做好動(dòng)力電池組充放電過(guò)程動(dòng)態(tài)均衡控制的優(yōu)化，對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行精確化管理。

1 動(dòng)力電池組SOC 均衡控制法特性

現(xiàn)今應(yīng)用于動(dòng)力電池組SOC 均衡控制的方法主要有兩大類(lèi)：主動(dòng)均衡控制法和被動(dòng)均衡控制法。被動(dòng)均衡控制法也被稱(chēng)之為電阻耗能式均衡，其均衡控制的指標(biāo)以單體電池的實(shí)時(shí)電壓為基準(zhǔn)，如發(fā)現(xiàn)單體電池中存在較高的電池將使用電阻等耗能元件消耗其多余的電荷用以保障動(dòng)力電池組中各單體電池的均衡。電阻能耗式均衡策略利用微控開(kāi)關(guān)控制單體電池與電阻回路的導(dǎo)通, 在動(dòng)力電池組電壓測(cè)量系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到動(dòng)力電池組中單體電池的電壓不一致時(shí), 控制微控開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻回路用以消耗掉多余的部分，此種動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡策略實(shí)現(xiàn)容易、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是不足之處在于動(dòng)態(tài)均衡控制過(guò)程中將會(huì)消耗掉較多的電能，且會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的熱堆積，同時(shí)動(dòng)力電池組的動(dòng)態(tài)均衡控制效率較低。動(dòng)力電池組的主動(dòng)均衡策略選用的是對(duì)動(dòng)力電池組中電壓較高的單體電池進(jìn)行開(kāi)關(guān)旁路或是利用電感、電容等作為儲(chǔ)能元件，將動(dòng)力電池組中單體電池電壓較高的部分轉(zhuǎn)移至SOC 較低的單體電池中，實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)力電池組的均衡控制。完全分流式均衡控制策略采用的是在動(dòng)力電池組的單體電池中加裝兩個(gè)開(kāi)關(guān)對(duì)電池進(jìn)行單獨(dú)控制。這一控制策略盡管控制模式較為簡(jiǎn)單，但是存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、適應(yīng)性差的缺陷。

本文所采用的動(dòng)力電池組控制策略采用的是動(dòng)態(tài)均衡控制法，此種控制法其最大的優(yōu)勢(shì)在于兩種不同的均衡策略，而這兩種不同的均衡策略的提出是基于能量流向所提出的。通過(guò)對(duì)動(dòng)力電池組中各單體電池的均衡加速系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)力電池組中N 組電池的單體電流和輸出電壓的調(diào)節(jié)，通動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和控制用以確保動(dòng)力電池組中各單體電池的均衡。動(dòng)態(tài)均衡控制方法最大的優(yōu)勢(shì)在于使得動(dòng)力電池組在充放電過(guò)程中均衡控制速率得到了極大的提高，同時(shí)減少了動(dòng)力電池組中的SOC 差異，將以往存在于動(dòng)力電池組中的過(guò)充、欠充以及過(guò)放問(wèn)題降至了最低。從而使得動(dòng)力電池組的使用效能得到了極大的提高。

2 動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用的是動(dòng)力電池組中的單體電池與分布式控制器相并聯(lián)的連接方式，并將與單體電池相并聯(lián)的分布式控制器輸出端相串聯(lián)的連接形式，相串聯(lián)的輸出端將作為母線(xiàn)電壓產(chǎn)生端。整個(gè)動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡控制系統(tǒng)采用4 組相并聯(lián)的雙向升降壓DC/DC 變換器，并依靠相關(guān)的均衡控制算法完成對(duì)于各控制器的控制。在對(duì)動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)變換器的開(kāi)關(guān)管完成對(duì)于單體電池的升壓或是降壓操作。在對(duì)動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡控制時(shí)，依靠電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)所構(gòu)成的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)完成對(duì)于動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡控制的精確調(diào)控。

3 動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡控制算法

3.1 動(dòng)力電池組中單體電池的SOC 估算

為實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)力電池組動(dòng)態(tài)均衡控制首先需要做好動(dòng)力電池組中各單體電池SOC 的估算?，F(xiàn)有的單體電池SOC 估算法主要有安時(shí)積分法、開(kāi)路電壓法等幾種。不同的單體電池SOC 估算法各有有缺點(diǎn)：安時(shí)積分法累積誤差較大且無(wú)法對(duì)單體電池的初始狀態(tài)進(jìn)行明確的估算，內(nèi)阻法的缺點(diǎn)在于對(duì)于單體電池內(nèi)阻測(cè)算較為困難；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法結(jié)構(gòu)和算法都復(fù)雜，但是其對(duì)于單體電池的SOC 估算較為準(zhǔn)確，不利于實(shí)際應(yīng)用推廣。從成本、準(zhǔn)確度等因素進(jìn)行綜合考慮后本文選用安時(shí)法作為主要的單體電池估算法。本文以18650 電池為單體電池，使用安時(shí)估算法對(duì)單體電池的SOC 進(jìn)行估算，通過(guò)對(duì)單體電池在不同的不同溫度、OCV 和SOC 之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)算，并根據(jù)所測(cè)算的86 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)完成上述數(shù)值函數(shù)關(guān)系的繪制，利用繪制的曲面差值完成單體電池SOC 的估算。

3.2 單體電池充、放電模式下動(dòng)態(tài)均衡加速系數(shù)的計(jì)算

動(dòng)力電池充電模式下動(dòng)態(tài)均衡控制方法其核心在于根據(jù)所估算出的單體電池SOC 和動(dòng)力電池組平均SOC 之間的差值結(jié)合動(dòng)態(tài)調(diào)整均衡加速系數(shù)來(lái)計(jì)算單體電池充電調(diào)整電流。需要注意的是動(dòng)力電池組中的單體充電速率與平均SOC 之間的差值呈線(xiàn)性關(guān)系，在計(jì)算時(shí)需要引起足夠的重視。在動(dòng)力電池組放電模式下對(duì)單體電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制時(shí)遵循的是與充電時(shí)同樣的思路，根據(jù)所單體電池的SOC 和平均SOC 之間的偏差來(lái)對(duì)均衡加速系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)于動(dòng)力電池組中單體電池輸出電壓的調(diào)控。在放電均衡控制下，單體電池的輸出電壓SOC 與控制電流呈反比，需要在計(jì)算時(shí)引起足夠的重視。

4 動(dòng)力電池組在充放電模式下應(yīng)用動(dòng)態(tài)均衡控制實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為驗(yàn)證動(dòng)態(tài)均衡控制在動(dòng)力電池組充放電摸下的可行性，搭建了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證臺(tái)，實(shí)驗(yàn)以4 節(jié)18650 電池相并聯(lián)作為單體電池,并以6 組單體電池構(gòu)成了一組動(dòng)力電池組，動(dòng)力電池單體電壓為3.7V, 單體電池容量為10.4Ah，在單體電池的測(cè)量上使用的是型號(hào)為XY195-9SY1 的功率計(jì)量?jī)x,其能夠完成0-600V 區(qū)間直流電源的測(cè)定，示波器被用于顯示單體電池在充放電過(guò)程中的電壓波動(dòng)，單體電池的充電采用的是直流電源。

4.2 實(shí)驗(yàn)步驟

首先實(shí)驗(yàn)單體電池的放電控制特性：（1）將6 組充滿(mǎn)電的單體電池通過(guò)控制方法放電至不同的SOC；（2）將放電完成的6 組單體電池以0.75A 的流量進(jìn)行充電,充電截止電壓為4.1V。在這一過(guò)程中記錄下6 組單體電池在充放電模式下的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)均衡狀態(tài)下端電壓變化情況。通過(guò)對(duì)所記錄下的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)在應(yīng)用靜態(tài)控制法時(shí)，單體電池在充放電模式下各組單體電池之間的極差最大能夠達(dá)到150mV，整個(gè)均衡過(guò)程貫穿充放電全程, 截止到單體電池沖放電完成，6 組單體電池之間的極差能夠從最大的150mV 降至50mV。而在采用動(dòng)態(tài)均衡控制法時(shí)，6 組電池間的極差能夠湊最大的150mV 降低至30mV，而且整個(gè)均衡時(shí)間相較于靜態(tài)均衡法減少了30%左右，使得動(dòng)力電池組中單體電池之間的SOC 一致性得到了明顯的改善。在應(yīng)用靜態(tài)均衡法的過(guò)程中均衡加速度系數(shù)總體為13.3 左右，且保持的較為良好，而動(dòng)態(tài)均衡法則不同在整個(gè)均衡控制的過(guò)程中均衡加速系數(shù)則一直處于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的狀態(tài)，且相對(duì)于靜態(tài)均衡法動(dòng)態(tài)均衡控制法所耗費(fèi)的時(shí)間大為減少，均衡速率大為提高。

5 結(jié)論

動(dòng)力電池組是新能源車(chē)輛的動(dòng)力核心，新時(shí)期隨著新能源車(chē)輛的快速發(fā)展對(duì)于動(dòng)力電池組的需求量大增，為解決動(dòng)力電池組在充放電模式下的SOC 不一致及均衡速率較慢的問(wèn)題，本文采用了新的動(dòng)態(tài)均衡控制方法，這一方法基于所估算的單體電池SOC 與動(dòng)力電池組平均SOC 之間的偏差，通過(guò)對(duì)單體均衡加速系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整完成了對(duì)于動(dòng)力電池組內(nèi)單體電池SOC 的動(dòng)態(tài)均衡調(diào)節(jié)。相較于傳統(tǒng)的均衡方法，動(dòng)態(tài)均衡控制法不僅極大的降低了均衡時(shí)間，且均衡后動(dòng)力電池內(nèi)單體電池之間的極差也降低至了30mV，從而使得單體電池之間的SOC不一致性得到了極大的改善。