電池管理系統(tǒng)均衡控制策略研究

汪琦　吳長水

摘 ?要：針對電動汽車串聯(lián)電池在電路中的不一致性問題，對鈦酸鋰電池組不一致性的原因和均衡方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過對比研究主動均衡和被動均衡，并結(jié)合具體需求，設(shè)計了基于電壓的被動均衡控制策略，采用Matlab/Simulink對電池組均衡策略進(jìn)行模型的搭建，并進(jìn)行仿真驗證。通過實驗測試驗證均衡控制策略的有效性。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng);Matlab/Simulink;被動均衡;控制策略

中圖分類號：TP319 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on Equilibrium Control Strategy of Battery Management System

WANG Qi1， WU Changshui2

（1.Shanghai Nanhu Vocational School， Shanghai 200439， China;

2.School of Mechanical and Automotive Engineering， Shanghai University of Engineering Technology， Shanghai 201620， China）

610847238@qq.com; wuchangshui@sues.edu.cn

Abstract： Aiming at the inconsistency of electric vehicle series batteries in the circuit， this paper first elaborates the causes of inconsistency of the lithium titanate battery pack and the equalization method. Then， through a comparative study of active and passive equalization， a voltage-based passive equilibrium control strategy is designed based on specific needs， using the tool of Matlab / Simulink to build a model of battery equilibrium strategy. Finally， the follow-up simulation experiment verifies the effectiveness of the proposed equilibrium control strategy.

Keywords： battery management system; Matlab / Simulink; passive equalization; control strategy

1 ? 引言（Introduction）

電池單體串聯(lián)組成電池包。由于各個單體電池在生產(chǎn)和使用過程中不可能做到完全一致，隨著時間積累便產(chǎn)生差異性。于是電池均衡是電池串聯(lián)成組應(yīng)用技術(shù)的核心之一[1]。其目的是通過電壓或者容量均衡的方式，使各個單體趨于一致，從而使電池包整體的最大可用容量提高。本文通過對鈦酸鋰電池組不一致性的原因和均衡方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過對比研究主動均衡和被動均衡，并結(jié)合具體需求，設(shè)計了基于電壓的被動均衡控制策略，采用Matlab/Simulink對電池組均衡策略進(jìn)行模型的搭建，并進(jìn)行仿真驗證[2]。通過實驗測試驗證均衡控制策略的有效性。

2 電池均衡方法分析（Analysis of battery equalization methods）

2.1 ? 電池的不一致性分析

由于電池不一致性對電動汽車的影響，在電池的使用過程中，保證電池組中的單體電池的穩(wěn)定性和平衡性尤為重要。為了解決電池不一致性，首先要分析電池的不一致性產(chǎn)生的原因。根據(jù)其產(chǎn)生的原因制定電池均衡系統(tǒng)，電池均衡又分為兩類：主動均衡和被動均衡。這兩種均衡方式也被叫作非能耗均衡和能耗均衡。主動均衡是將多余的能量重新分布，具備較高的能量效率。主動均衡中采用無源器件電感或電容作為儲能元件，用于單體電池之間的能量傳遞。在電路中對儲能元件進(jìn)行切換，從而保證電池電壓的一致性。被動均衡的優(yōu)點是電路構(gòu)造相對簡單，適用領(lǐng)域廣，成本相對較低，并且易于實現(xiàn)。但被動均衡存在著明顯的缺點，電池放電均衡將會增加很多功耗，尤其當(dāng)電池組中單體電池數(shù)目較多時，電池的可用電量將會大大減少，導(dǎo)致電池的利用率降低。

在生產(chǎn)過程中，即使是同一型號、同一批次的鈦酸鋰電池也會有個體的初始差異，其中電池原料的不一致性以及生產(chǎn)工藝等因素會造成這種差異性的存在。如圖1所示為鈦酸鋰電池的生產(chǎn)工藝流程圖，其生產(chǎn)工藝詳細(xì)步驟包括配料、卷繞、包裝以及外包裝等等環(huán)節(jié)。在每一個步驟中的每一個細(xì)微的差異經(jīng)過多重步驟的疊加都會造成鈦酸鋰電池差異性變大。目前來說，由電池原材料和生產(chǎn)過程中所引起的不一致性，還沒有好的解決辦法，只能通過慢慢提高電池設(shè)備精度。

另一方面，即使在生產(chǎn)時使電池組具有較高的一致性，但由于不同使用條件下的差異，也會引起電池組的不一致性[3]。電池組在使用過程中所產(chǎn)生的差異會受到多種因素的影響。首先是溫度，鈦酸鋰電池的工作溫度將影響其固有特性，我們知道電池發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時會伴隨著放熱現(xiàn)象，從而導(dǎo)致工作溫度的變化。同時單體電池安放的位置以及電池組的散熱方位的不同也都會影響模組局部溫度的不一致性。這種不一致性差異將進(jìn)一步影響電池組的容量以及內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)程，從而形成一個惡性循環(huán)造成電池的不一致性繼續(xù)加大。然后是電池的過充過放，電池過度充電會造成鈦酸鋰動力電池正極物質(zhì)氧化分解，從而降低電池的輸出功率;電池過度放電會使鈦酸鋰動力電池的正極金屬陽離子被還原，從而降低了動力電池的容量。以上表明，電池的過充過放都會給電池的性能壽命造成不同程度的不可修復(fù)的破壞，進(jìn)而惡化電池的不一致性。

目前提高鈦酸鋰電池組一致性的方法主要分為電池分選技術(shù)和電池均衡技術(shù)。電池的分選技術(shù)主要是利用電池單體電壓、容量等重要參數(shù)為指標(biāo)，將參數(shù)相近的單體電池組成一個模組，這種方法可避免工藝不一致性給電池帶來的干擾。電池均衡技術(shù)是基于完善的電池管理系統(tǒng)之下，在使用電池時所采取的措施，主要分為主動均衡和被動均衡兩類，下面對這兩大類均衡進(jìn)行闡述并選取。

2.2 ? 主動均衡

主動均衡的原理是將能量從較高的單體電池轉(zhuǎn)移到較低的單體電池內(nèi)，實現(xiàn)單體電池間的均衡。它的優(yōu)點在于效率較高，并且產(chǎn)熱不顯著，下面闡述幾種常用的主動均衡方法。

（1）開關(guān)電容（電感）均衡

開關(guān)電容（電感）均衡的原理是把電容（或者電感）當(dāng)作一種儲備能量的容器，將模組中能量較高的單體能量放在容器中，而能量低的單體從中取出，最終實現(xiàn)單體間的能量一致性。在此處以電容均衡進(jìn)行講解，如圖2所示。在充放電或者電池組靜置的時候，當(dāng)發(fā)現(xiàn)單體不一致性較大時，在控制策略中對電容開關(guān)開斷處理，使單體間能量通過電容元件再次分配，從而保證電池模組中單體電池的能量盡量趨于一致，從而改善電池組的整體性能。這種均衡方式的優(yōu)勢在于均衡過程中不消耗能量。

（2）變壓器均衡

變壓器均衡法是將多個繞組變壓器串聯(lián)在模組中，如圖3所示，在變壓器均衡過程中，當(dāng)檢測到壓差大于一定閥值時，均衡開啟。當(dāng)電池組的電流流入變壓器的初級線圈時，其次級線圈中會立刻感應(yīng)出相應(yīng)的電流。如果單體電池中的電壓比較低，根據(jù)電壓比是反比于電流，則可知相應(yīng)感應(yīng)出的電流會較大，使用這種方式得出的均衡電流與SOC成反比。由于整流元件需要安裝在每一個次級線圈上，所以其均衡方式有其致命的缺點，即電路較為復(fù)雜，電子元件太多導(dǎo)致成本高昂。

2.3 ? 被動均衡

被動均衡又叫作耗能均衡，它的均衡原理是將能量較高的電池的能量通過耗能的方式釋放出來，從而改善單體電池間的一致性。其中電阻均衡法，如圖4所示。它的工作原理是，當(dāng)模組中某一編號單體電池滿足均衡開啟的條件時，與之對應(yīng)的開關(guān)閉合上，從而形成一個放電通路。它因結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，而被廣泛應(yīng)用于電池管理系統(tǒng)的均衡體系中。這種均衡方式缺點在于電池放電會產(chǎn)生大量能量浪費掉，以及產(chǎn)生熱量造成溫升。

3 ? 硬件研究分析（Hardware research and analysis）

在本項目中，所采用的硬件為MC33771芯片，通過采集電壓，溫度等物理量作為輸入。采用多節(jié)鈦酸鋰電池串聯(lián)成組的形式，實物圖如圖5所示。由上一小節(jié)可知每種均衡技術(shù)既有優(yōu)點，又有缺點，經(jīng)過對本課題項目的需求分析、試驗環(huán)境、成本預(yù)算以及實現(xiàn)的難易程度，在均衡方式上目前最常用的被動均衡方案，來對鈦酸鋰動力電池組一致性進(jìn)行改善。在硬件上，這里通過在每個鈦酸鋰單體電池上并聯(lián)一個電阻，并在每個回路中添加一個模擬開關(guān)來實現(xiàn)的。其原理是當(dāng)滿足被動均衡條件時，能量較高的電池通過電阻放電，從而降低單個電源電池的電壓，直到滿足推出均衡設(shè)置的閥值條件范圍內(nèi)為止或者滿足整車的其他預(yù)設(shè)條件。下面結(jié)合具體的被動均衡控制策略進(jìn)行研究[4]。首先選取均衡的變量，在此基礎(chǔ)之上，進(jìn)行設(shè)置均衡的閥值，然后開始放電均衡，最終達(dá)到單體電池一致性得到改善，提高電池組的整體壽命。

4 電池均衡策略設(shè)計（Cell balancing strategy design）

4.1 ? 均衡變量的選取

在搭建被動均衡模型之前，首先需要選取合適的均衡指標(biāo)，也就是均衡變量。只有合理選取均衡指標(biāo)才能保證對具體電池組進(jìn)行管理，目前廣泛被采用的均衡指標(biāo)有三種分別為：SOC、剩余可用容量、開路電壓。下面對這三種方式進(jìn)行闡述，并選取適合鈦酸鋰電池組的均衡變量。

（1）以SOC作為均衡變量

將鈦酸鋰單體電池的SOC作為均衡開啟的條件時，在均衡后電池組內(nèi)單體電池之間的容量基本一致，在此后若進(jìn)行電池模組的充放電時所有單體電池均可以達(dá)到充放電截止電壓，最大限度地保證了電池組容量得到充分利用。同時采用SOC作為指標(biāo)均衡后也預(yù)示著鈦酸鋰模組中的每個單體電池都可以工作在相同的放電深度環(huán)境下，這樣有利于延緩單體電池的老化速度。

但是以SOC為均衡指標(biāo)也有其局限性和缺點。首先是如果SOC的估算精度較大時，在充放電、靜置或者上電初期SOC差異較小，此時無法識別的話，到后期差異越來越大時對均衡管理的壓力就會比較大，甚至無法充分達(dá)到均衡效果。再者均衡時的電流也會對SOC估算產(chǎn)生影響，在當(dāng)前的估算方法中還沒有將這一因素考慮進(jìn)來。而較高精度的SOC算法，比如卡爾曼算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，這些算法一般計算量都很大，且需要對電池組中的每節(jié)單體電池同時進(jìn)行實時估算，這就要求硬件處理器具有足夠的運算能力，才能保證這些要求，而實現(xiàn)這些也會造成成本隨之提高。

（2）以剩余可用容量作為均衡變量

與第一種均衡指標(biāo)SOC相比較，用當(dāng)前剩余可用容量作為均衡指標(biāo)，從本質(zhì)上也是從容量的角度上對電池組進(jìn)行均衡，這樣也能避免容量較低的單體電池所造成的“木桶效應(yīng)”，從而發(fā)揮出電池組的最大能力。根據(jù)前人研究表明，在電池組內(nèi)如果電池老化程度區(qū)別不明顯時使用以上兩種均衡變量基本上是一致的，但是當(dāng)電池組內(nèi)單體電池老化程度區(qū)別較大時，即使某一時刻的每個單體電池SOC是一致的，但由于不同單體電池間的剩余電量變化速率的差異性，每進(jìn)行一步長或者下一周期又會出現(xiàn)不一致，研究結(jié)果表明如果把剩余可用容量作為均衡變量，則后面基本上不會在產(chǎn)生不一致性問題[5]。用剩余可用容量作為均衡指標(biāo)缺點在于需要對動力電池的容量進(jìn)行實時估算，而當(dāng)前對容量的估算方法大多停留在離線估算上，而且估算的精度無法保證。

（3）以電壓作為均衡變量

第三種是用電壓為均衡變量，在數(shù)據(jù)采集時，動力電池的電壓是一個可被采集到的物理量。由于電壓可以被觀測，同時開路電壓與SOC是有著某種關(guān)系的，這一點已經(jīng)給出了相關(guān)測試和圖表結(jié)論。當(dāng)每個動力電池開路電壓都大致相當(dāng)時，也說明了此時電池組的SOC一致性也比較良好，因此在電池組處于擱置狀態(tài)時以開路電壓作為均衡變量可以在一定程度上改善電池組不一致性狀態(tài)。同時以電壓為均衡變量，其思想簡單并且實現(xiàn)較容易，對硬件處理器的開銷也較低。

綜合以上對三種均衡變量的分析，并結(jié)合實際，對均衡變量本文采用易于實現(xiàn)的電壓判據(jù)作為指標(biāo)，下面對基于電壓的被動均衡策略進(jìn)行分析并建模。

4.2 ? 電池均衡策略分析及建模

基于電壓的均衡在實際工程中應(yīng)用較為普遍，它可以衡量電池組的不一致性[6]。當(dāng)鈦酸鋰電池成組一致性良好時，則電池均衡主要考慮在使用過程中，在使用過程中，使用電壓作為均衡的判據(jù)，此時電壓會出現(xiàn)三種分布情況：第一種是模組中大多數(shù)單體電池電壓差極小，只有少量單體電池的電壓比較高;第二種是模組中大多數(shù)單體電池電壓差極小，只有少量單體電池的電壓比較低;第三種是模組中大多數(shù)單體電池的電壓差極小，一部分單體電池的電壓比較低，一部分單體電池的電壓比較高;但無論是哪一種情況，大多單體電池的電壓都是在均值電壓的附近徘徊。針對這種情況，在以電壓為均衡變量的策略中，在此會引入數(shù)學(xué)參數(shù)來反映出電池組單體電壓的差異。常用的數(shù)學(xué)參量有電壓的均值，極差以及方差三種，計算公式如式（1）—式（3）所示。

其中，式（1）為均值的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它反映了電池組電壓的整體情況;式（2）為方差的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它反映了電池組中每個單體電池與均值電壓的偏離程度;式（3）為極差的數(shù)學(xué)表達(dá)式，它反映了電池組中的最高與最低電壓的差值。這三種參量都可以衡量電池組的不一致性狀態(tài)，若以方差作為均衡的判據(jù)，雖然理論上是這三種方式中最好的，但是若要考慮到每個單體電池的實際電壓分布狀態(tài)，我們只需要考慮最大、最小電壓進(jìn)行均衡操作，因此以方差作為判據(jù)本文不采用。均值電壓是目前均衡判據(jù)中最常用的方式，但是如果電池組電壓范圍最大，這種方式均衡會增加過多的能耗，因此以均值電壓作為判據(jù)本文不采用。而以極差作為判據(jù)，雖然只是比較兩節(jié)單體電池的電壓，但是此種方式能進(jìn)一步的縮小整個電池組電壓的不一致性，因而本文采用以極差電壓作為判據(jù)來改善電池模組的不一致性。

被動均衡按不同的工作狀態(tài)，又可分為充電狀態(tài)時的被動均衡，放電狀態(tài)時的被動均衡以及擱置狀態(tài)時的被動均衡，在實際均衡過程中，在充放電狀態(tài)下的均衡，對于混合動力汽車來說也即是行車時，這兩種狀態(tài)下的均衡效果并不理想，且耗能比較大。因此本文此處討論靜置狀態(tài)（車處于停車狀態(tài)）時，對鈦酸鋰電池模組進(jìn)行均衡?；跇O差電壓的均衡策略流程為：首先識別模組的工作狀態(tài)，當(dāng)整車下電，BMS處于靜置狀態(tài)（即模組既不充電也不放電）時，然后為鈦酸鋰電池模組單體按電壓大小從小到大排序并進(jìn)行編號（從編號1到編號19），并找出最大、最小單體電池的電壓作差為U1，與設(shè)置的閥值電壓U2進(jìn)行對比，若差值大于閥值（50 mV）且溫度低于均衡溫度閥值時，當(dāng)前狀態(tài)開啟均衡。在均衡時，考慮到電池溫升問題，在本文策略中每次開啟最高的5節(jié)單體電池進(jìn)行均衡，當(dāng)均衡完畢后退出均衡。均衡的流程圖如圖6所示。

在單體的均衡過程中，設(shè)置三種狀態(tài)：均衡關(guān)閉、均衡開啟和均衡休眠?；谟邢逘顟B(tài)機理論，在Simulink/Stateflow環(huán)境下搭建具體的均衡模型，首先將電壓差值與設(shè)置的進(jìn)行比較，同時電池組的溫度在一定范圍內(nèi)方可開啟均衡，同時采用脈沖均衡，即設(shè)置一個占空比均衡，若滿足退出均衡條件或者均衡完畢后結(jié)束均衡管理，具體實施如圖7所示。

本文為同時對最大的5節(jié)單體電池進(jìn)行均衡處理，當(dāng)每一步均衡后，將對應(yīng)編號的電池電壓放置到對應(yīng)原來位置，最終輸出每一時刻鈦酸鋰模組中每節(jié)電池的電壓，為下一步均衡判斷和均衡迭代做準(zhǔn)備。建模如圖8所示。

設(shè)置鈦酸鋰單體電池的電壓，令其中5節(jié)單體電池電壓偏高，以均衡閥值為50 mV為例，均衡電流為90 mA，脈沖均衡的占空比為75%，開始進(jìn)行均衡，均衡仿真圖如圖9所示。由圖可知，當(dāng)電池組處于靜置狀態(tài)時，滿足均衡條件后，開始對相對應(yīng)的單體電池進(jìn)行脈沖均衡，最終達(dá)到改善單體電池間的一致性的目的，從而驗證了所搭建的均衡控制策略的邏輯準(zhǔn)確性。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

本文首先對鈦酸鋰電池組不一致性的原因和均衡方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過對比研究主動均衡和被動均衡，并結(jié)合項目需求，設(shè)計了基于電壓的被動均衡控制策略，采用Matlab/Simulink對電池組均衡策略進(jìn)行模型的搭建。通過實驗測試驗證均衡控制策略的有效性。

參考文獻(xiàn)（References）

[1] 謝紹偉.電動汽車池管理系統(tǒng)（BMS）及其驗證系統(tǒng)的開發(fā)[D].華中科技大學(xué)，2015：9-10.

[2] 于洋.動力鋰電池荷狀態(tài)估計策略的研究 [D].天津理工大學(xué)，2012：19.

[3] 喬波強，侯振義.蓄電池剩余容量預(yù)測技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展[J].電源世界，2012（02）：21-26.

[4] 楊飛.磷酸鐵鋰動力電池管理系統(tǒng)的研究[D].重慶大學(xué)，

2010：35-37

[5] 劉浩.基于EKF的電動汽車用鋰離子的電動汽車用鋰離子池SOC估算方法研究 [D].北京交通大學(xué)，2010：50.

[6] GARCIA P， FERNANDEZ L M， GARCIA C A， et al. Energy Management System ofFuel-Cell-Battery Hybrid Tramwa[J]. IEEE Transactions on IndustrialElectronics， 2010， 57（12）： 4103-4104.

作者簡介：

汪 ? 琦（1982-），男，本科，講師.研究領(lǐng)域：汽車技術(shù)，新能源汽車.

吳長水（1978-），男，博士，副教授.研究領(lǐng)域：發(fā)動機電控，新能源汽車.