一種針對(duì)串聯(lián)電池組帶電不均衡的均衡技術(shù)

，，，，，

(長(zhǎng)安大學(xué)電子與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710064)

0 引言

電動(dòng)汽車以綠色環(huán)保、能源效率高和高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)快速發(fā)展，已逐步取代傳統(tǒng)的燃料汽車在汽車市場(chǎng)中所占地位。現(xiàn)如今多數(shù)電動(dòng)汽車采用的動(dòng)力電池系統(tǒng)都是由單體電池串并聯(lián)后打包而成。電池串聯(lián)容易在充放電過程中造成電池荷電狀態(tài)不均衡，電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)因此發(fā)生變化，長(zhǎng)期以來會(huì)造成單體電池短路或斷路。電池短路產(chǎn)生大量的熱，若無法及時(shí)散熱可能導(dǎo)致電池的自燃。電池?cái)嗦穭t會(huì)使所在串聯(lián)支路的所有電池失去效能，整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的效能大打折扣。因此，消除動(dòng)力電池系統(tǒng)的帶電量不一致性對(duì)電動(dòng)汽車整體性能有著至關(guān)重要的作用[1-2]。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)于串聯(lián)電池帶電量不一致現(xiàn)象的研究已經(jīng)取得很大成果[3-5]。針對(duì)分析串聯(lián)電池組中出現(xiàn)的帶電量不均衡狀態(tài)，提出了一種新型的均衡技術(shù)。通過串聯(lián)電池組中電池的帶電量，采用均方差確定不均衡狀態(tài)，進(jìn)而確定均衡控制策略，并通過電感所組成均衡電路實(shí)現(xiàn)電池帶電量的再分配，快速消除串聯(lián)電池組的帶電量的不一致性。

1 電池連接結(jié)構(gòu)及不均衡狀態(tài)

1.1 電池連接結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車安裝的電池系統(tǒng)一般由成百上千的單體電池串并聯(lián)而成，電池串聯(lián)后所組成的電池組能夠增加電池系統(tǒng)的輸出電壓，電池和電池組并聯(lián)則能夠增加電池系統(tǒng)的輸出電流，所以電池系統(tǒng)要根據(jù)實(shí)際所需輸出電壓和輸出電流設(shè)計(jì)合理的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)[6]。目前，電池系統(tǒng)的根據(jù)連接方式不同可分為3大類，分別為先串后并型、先并后串型以及串并混合型，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

先串后并型是由多個(gè)單體電池串聯(lián)成電池組后，再由電池組并聯(lián)形成電池系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)形式相對(duì)簡(jiǎn)單，且方便對(duì)各個(gè)單體電池進(jìn)行檢測(cè)。然而，串聯(lián)支路卻容易因某一個(gè)單體電池失效使得整條串聯(lián)支路的電池?zé)o法發(fā)揮作用，可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)較差。

先并后串和串并混合的結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)槟骋粋€(gè)單體電池失效間接導(dǎo)致其他電池失效的情況出現(xiàn)，雖然同時(shí)提高了連接電路的復(fù)雜程度，但是可靠性和穩(wěn)定性相對(duì)增強(qiáng)。因此，市場(chǎng)上大多數(shù)電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池系統(tǒng)多采用先并后串和串并混合的結(jié)構(gòu)形式。

圖1 電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

電池并聯(lián)會(huì)因自身的電路特性而發(fā)生自均衡現(xiàn)象，故不需要通過均衡技術(shù)消除帶電量的不均衡。電池串聯(lián)時(shí)充放電電流雖然一致，但是可能最初帶電量本身就會(huì)存在差異，若長(zhǎng)時(shí)間不消除這種差異會(huì)使得差異更加明顯，因此當(dāng)出現(xiàn)帶電量不均衡時(shí)需要通過外部添加的均衡電路重新分配電量消除不一致性?，F(xiàn)在動(dòng)力電池系統(tǒng)通常采用先并后串和串并混合的結(jié)構(gòu)，并聯(lián)單元內(nèi)的單體電池會(huì)進(jìn)行自均衡，但是由并聯(lián)單元組成的串聯(lián)支路上的各并聯(lián)單元卻無法進(jìn)行自均衡，需要外部均衡電路來消除帶電量不一致性。將并聯(lián)單元等效成一個(gè)大容量電池，可將先并后串和串并混合的結(jié)構(gòu)中串聯(lián)支路的視為單體電池串聯(lián)支路進(jìn)行研究。

1.2 電池帶電量不均衡狀態(tài)

經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，電池帶電量不均衡共可分為4種，即：一高一低型，一低多高型，一高多低型和參差不齊型。

一高一低型是串聯(lián)電池組中存在1個(gè)帶電量相對(duì)較高的電池和1個(gè)帶電量相對(duì)較低的電池，其余電池的帶電量基本一致。一低多高型是串聯(lián)電池組中大部分電池的帶電量基本一致，僅有1個(gè)電池的帶電量略低于其他電池的帶電量。一高多低型串聯(lián)電池組中大部分電池的帶電量基本一致，僅有1個(gè)電池的帶電量略高于其他電池的帶電量。參差不齊型是串聯(lián)電池組中不存在大多數(shù)電池帶電量基本一致的情況，多數(shù)電池的帶電量的大小分布在所有電池帶電量的平均值兩側(cè)。

現(xiàn)有均衡電路的針對(duì)性較強(qiáng)，通常對(duì)某一種不均衡狀態(tài)的均衡效果非常好。經(jīng)典的飛度電容電路能夠通過電容快速將能量高的電池的電能轉(zhuǎn)移到能量低的電池的電能上，非常適合串聯(lián)電池組出現(xiàn)一高一低的不均衡狀態(tài)。經(jīng)典的電感型拓?fù)渚饣芈纺軌蛲ㄟ^電感將相鄰電池的電能進(jìn)行快速轉(zhuǎn)移，非常適用于串聯(lián)電池組出現(xiàn)參差不齊的不均衡狀態(tài)[7]。因此，需要設(shè)計(jì)一種均衡電路能適用于各種不均衡狀態(tài)。

2 本文所提出的主動(dòng)均衡技術(shù)

2.1 均衡判斷

動(dòng)力電池系統(tǒng)中的單體電池的帶電量是無法直接實(shí)時(shí)測(cè)量的，因而無法根據(jù)測(cè)量所得的帶電量進(jìn)行均衡判斷。通常判別依據(jù)是能夠反應(yīng)電池電量的相關(guān)物理屬性，如開路電壓值、端電壓值，或者通過相關(guān)物理屬性間接估計(jì)出帶電量并以此作為判別依據(jù)。目前，研究者們共提出了3種判別依據(jù)，即開路電壓判據(jù)，端電壓判據(jù)和SOC判據(jù)[8]。

電池的開路電壓與電池的帶電量是呈非線性正相關(guān)的，能夠估測(cè)電池的帶電量，不會(huì)產(chǎn)生較大誤差，但是電池在電路中使用時(shí)很難測(cè)到實(shí)時(shí)的開路電壓值。此外，某些電池的開路電壓與帶電量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線在帶電量處于20%～80%之間時(shí)十分平坦，即使開路電壓出現(xiàn)微小誤差，所估計(jì)帶電量也會(huì)出現(xiàn)較大偏差。因此，以開路電壓作為判別依據(jù)的方法只適用部分電池實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，無法應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)上。

電池的端電壓值同樣與電池的帶電量呈正相關(guān)，端電壓是電池連接在電路中工作時(shí)所測(cè)的電池電壓值，此時(shí)無法單靠端電壓反應(yīng)電池的帶電量，需要考慮電池電流、電池溫度和電池極化內(nèi)阻等多種因素。僅僅依據(jù)端電壓去估計(jì)電池帶電量時(shí)，容易出現(xiàn)較大的估計(jì)誤差值，所以判別依據(jù)也很少使用。

電池的SOC是表示電池剩余電量百分比的一個(gè)參數(shù)，通過電池電壓、電流和內(nèi)阻等物理量，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波等方法所得到的，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確反應(yīng)電池的帶電量狀態(tài)，滿足實(shí)際功能工業(yè)技術(shù)的需求，本文也采用電池SOC作為均衡判斷的依據(jù)。當(dāng)測(cè)量估算得到電池SOC值后，計(jì)算電池組的SOC均方差值判斷串聯(lián)電池組的帶電量是否出現(xiàn)不一致，具體表達(dá)式為

(1)

Ssoc為N個(gè)單體電池所組成的串聯(lián)電池組的SOC 均方差值;SOCavg為N個(gè)單體電池所組成的串聯(lián)電池組的SOC平均值;SOCi為第i個(gè)單體電池的SOC值。

SOC均方差值的大小能夠反應(yīng)電池組的總體的離散程度，當(dāng)SOC均方差值大于設(shè)定的閾值時(shí)，表明電池組的狀態(tài)出現(xiàn)不均衡，需要進(jìn)行電量均衡。SOC均方差值的設(shè)定閾值與串聯(lián)電池組中的電池容量和電池?cái)?shù)量相關(guān)，閾值設(shè)定要合理，過大則不能有效消除一低多高型和一高多低型的不均衡狀態(tài)。

通過SOC均方差值判斷得出串聯(lián)電池組出現(xiàn)帶電量不均衡時(shí)，還需要對(duì)單體電池的SOC值進(jìn)行進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析，判斷是哪一種不均衡狀態(tài)，若為一高多低型和一高一低型不均衡狀態(tài)，還需知道具體的某一節(jié)電池帶電量偏高，某一節(jié)帶電量偏低，圖2顯示了判斷不均衡狀態(tài)的流程。

圖2 不均衡狀態(tài)判別流程

首先，計(jì)算出除去串聯(lián)電池組中一節(jié)單體電池后，剩余N-1節(jié)電池的SOC均方差值，依次除去不同的單體電池并計(jì)算可得到N個(gè)SOC均方差數(shù)據(jù)。

若N個(gè)SOC均方差數(shù)據(jù)中有a(a>2)個(gè)以上的SOC均方差值未超過了預(yù)設(shè)閾值，對(duì)應(yīng)有a個(gè)電池的SOC值偏高或者偏低，說明串聯(lián)電池組的電池SOC值離散程度較高，不均衡狀態(tài)為參差不齊型。

若計(jì)算得到的N個(gè)SOC均方差數(shù)據(jù)，有2個(gè)SOC均方差值未超過了預(yù)設(shè)閾值，對(duì)應(yīng)有2個(gè)電池的SOC值偏高或者偏低，若這2節(jié)電池SOC值相差較大，不均衡狀態(tài)為一高一低型，否則視為參差不齊型。若計(jì)算得到的N個(gè)SOC均方差數(shù)據(jù)，僅有1個(gè)SOC均方差值未超過了預(yù)設(shè)閾值，對(duì)應(yīng)有1個(gè)電池的SOC值偏高或者偏低，若SOC值偏高則為一高多低型，若SOC值偏低則為一低多高型。

2.2 實(shí)施均衡方案

在均衡判斷階段確定不均衡的狀態(tài)后，需要進(jìn)行均衡處理操作，均衡操作會(huì)因不均衡狀態(tài)的不同而有所差異，為了詳細(xì)說明這個(gè)過程，需要結(jié)合主動(dòng)均衡電路圖，如圖3所示。

圖3a中電路主要包括了6個(gè)型號(hào)相同的單體電池所組成的串聯(lián)電池組以及由電感所組成的5個(gè)相鄰均衡單元，2個(gè)SPDT以及1個(gè)電容。圖3b是圖3a中均衡單元放大后的電路結(jié)構(gòu)，由2個(gè)電感和4個(gè)MOSFET組成。

圖3 主動(dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)和放大后的均衡單元

本文所提出的主動(dòng)均衡電路是在Thanh Hai Phuang于2014所提出的基于電感的雙路交錯(cuò)式均衡電路的基礎(chǔ)之上改進(jìn)的，并且結(jié)合了飛度電容均衡電路的優(yōu)點(diǎn)，能夠有效針對(duì)各種不均衡狀態(tài)?；陔姼械碾p路交錯(cuò)式均衡電路能夠?qū)ο噜?個(gè)電池的電能快速轉(zhuǎn)移，通過削峰填谷式均衡方法快速消除電池帶電量不一致，非常適合參差不齊型不均衡狀態(tài)，對(duì)一高多低和一低多高電路也有不錯(cuò)的均衡效果。然而，當(dāng)出現(xiàn)一高一低型不均衡狀態(tài)時(shí)，只能通過均衡單元之間進(jìn)行電能的間接轉(zhuǎn)移，不能夠?qū)崿F(xiàn)電量高的電池和電量低的電池之間電能的快速轉(zhuǎn)移，而本文提出均衡電路卻能彌補(bǔ)這個(gè)不足。

當(dāng)電路出現(xiàn)一高一低不均衡狀態(tài)時(shí)，假設(shè)B1的電量稍高，B6的電量稍低，將SPDT1和SPDT2將開關(guān)打到a端，S1和S2閉合，此時(shí)B1就會(huì)向電容C1充電，充電完成后，斷開S1和S2，將S6和S7閉合, SPDT2將開關(guān)打到b端，此時(shí)C1給B6放電，不斷循環(huán)此過程就能消除帶電量的不均衡。

3 實(shí)驗(yàn)與仿真

為了充分說明所提出均衡電路的有效性，對(duì)所設(shè)計(jì)的均衡電路進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)。磷酸鐵鋰電池因其安全性、高能量密度和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)廣泛被使用，所以仿真實(shí)驗(yàn)選取磷酸鐵鋰電池作為研究對(duì)象。仿真電路串聯(lián)電池組中選取的電池?cái)?shù)目要合適，電池?cái)?shù)量太少所得到的仿真結(jié)果無法充分說明均衡電路的高效性，太多實(shí)驗(yàn)時(shí)間又會(huì)太長(zhǎng)，因此選取了6節(jié)磷酸鐵鋰電池所組成串聯(lián)電池組作為均衡對(duì)象。仿真設(shè)置的6節(jié)磷酸鐵鋰電池的初始SOC值分別為50%，50.1%，50.2%，50.3%，50.4%和50.5%。仿真選用ode23tb仿真器進(jìn)行仿真，仿真步長(zhǎng)設(shè)置為0.1 ms。

圖4 充電過程

圖4顯示了串聯(lián)電池組在充電階段出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象時(shí)的仿真結(jié)果。由圖4可知，經(jīng)過39.43 s后，基本消除了各個(gè)單體電池的帶電量的差異，當(dāng)達(dá)到均衡狀態(tài)時(shí)電池的帶電量為50.35%，在均衡過程中因開關(guān)、MOSFET等元件造成的能量損耗僅為0.029%。

圖5顯示了串聯(lián)電池組在充電階段出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象時(shí)的仿真結(jié)果。由圖5可知，經(jīng)過37.56 s后，基本消除了各個(gè)單體電池的帶電量的差異，當(dāng)達(dá)到均衡狀態(tài)時(shí)電池的帶電量為50.16%，在均衡過程中因開關(guān)、MOSFET等元件造成的能量損耗僅為0.024%。

圖5 放電過程

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提出的均衡電路能達(dá)到快速消除串聯(lián)電池組不均衡現(xiàn)象的目的，并且在均衡過程中所消耗的電能的量也較少，無論是在充電或者放電過程中，均衡效率都很高。

4 結(jié)束語

本文通過單體電池的SOC作為判斷依據(jù)，根據(jù)SOC值判斷出電池不均衡狀態(tài)，并以此制定具體的均衡方案，并利用串聯(lián)電池組所連接的均衡電路實(shí)施該方案，消除不均衡現(xiàn)象。通過仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提出均衡技術(shù)的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的均衡電路能夠快速消除電池帶電量不一致性，同時(shí)在均衡過程中能量耗散少。