新能源汽車電池管理方法綜述＊

胡治國(guó) 司少康

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，焦作454000）

主題詞：新能源汽車 BMS SOC估測(cè) 均衡管理方法

縮略語(yǔ)

BMS Battery Management System

SOC State of Charge

OCV Open Circuit Voltage

SVM Support Vector Machine

NEV New Energy Vehicle

0 前言

在環(huán)境和能源問題日益嚴(yán)峻的大環(huán)境下，在世界各國(guó)政府大力扶持下，電動(dòng)汽車作為滿足節(jié)能減排的要求的方案得到了快速發(fā)展，成為汽車工業(yè)未來發(fā)展的必然趨勢(shì)。電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)是電動(dòng)汽車最重要的部分之一[1-2]，它的主要作用包括以下4點(diǎn)：

(1)對(duì)參數(shù)在線觀測(cè)；

(2)荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)估測(cè)；

(3)電池均衡管理和熱管理；

(4)CAN總線通信[3]。

其中，準(zhǔn)確估測(cè)SOC和電池均衡管理是BMS的核心功能，也是優(yōu)化系統(tǒng)能量管理，提高動(dòng)力電池的使用效率，延長(zhǎng)電池使用壽命的關(guān)鍵。如果對(duì)SOC估測(cè)不準(zhǔn)確，會(huì)導(dǎo)致SOC大的波動(dòng)，從而減少動(dòng)力電池的循環(huán)壽命。如果不對(duì)電池進(jìn)行均衡管理，則會(huì)損害電池的使用壽命和工作效率。本文旨在對(duì)電池管理系統(tǒng)中SOC估測(cè)和電池均衡管理的方法進(jìn)綜述與分析，為未來工作提供理論性的可靠參考。

1 SOC估測(cè)方法

SOC是不能直接測(cè)量出來的，需要電池的等效電路來對(duì)其進(jìn)行在線估測(cè)。為了得到精確的SOC值，先把電池額定容量C設(shè)置在溫室狀態(tài)下，以C/30倍率充電到滿充時(shí)刻的最大安時(shí)數(shù)[4]。Ct(t)代表剩余容量，C/30倍率到t時(shí)刻的安時(shí)數(shù)，如式（1）。

當(dāng)t=0 時(shí)，SOC初始值為100%，I(t)為t時(shí)間的電流，放電狀態(tài)時(shí)刻，I＞0。

電池需要建立電路模型才便于計(jì)算分析，以下為3種典型的等效電路模型：

(1)Rint模型；

(2)Thevenin模型；

(3)PNGV模型。

SOC估測(cè)是評(píng)判電池管理系統(tǒng)性能的最重要參數(shù)之一[5]，電荷狀態(tài)的在線估算有很多比較熟悉的方法，每個(gè)方法都有優(yōu)缺點(diǎn)和特定的應(yīng)用范圍，以下簡(jiǎn)述主要SOC估測(cè)方法。

1.1 安時(shí)積分法

該方法是SOC估測(cè)法中比較簡(jiǎn)單的一種方法，明確開始時(shí)刻的SOC值，即可通過安時(shí)積分法的數(shù)學(xué)表達(dá)式算出當(dāng)前時(shí)間的SOC值，如式（2）。

式中，SOCT為t時(shí)刻的剩余電量；SOC?為初始值；t為電流瞬時(shí)值；C為電池額定容量。

該方法使用方便，比較常用，但它也有以下缺點(diǎn)。第一，使用該方法必須明確SOC的初值SOC?，該值可以在電池充滿電后并放置一段時(shí)間即可測(cè)得。第二，電流的噪聲會(huì)使SOC估測(cè)的準(zhǔn)確值發(fā)生偏離造成運(yùn)算誤差影響。因此，它不能單獨(dú)使用必須與其他算法一起使用才能保證其準(zhǔn)確性。

1.2 卡爾曼濾波算法

改良的卡爾曼濾波算法有其良好的適應(yīng)性和極高的準(zhǔn)確性，應(yīng)用越來越廣泛。它可以對(duì)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)給出最優(yōu)估算。想利用卡爾曼濾波法對(duì)電池SOC進(jìn)行最優(yōu)化估算，必須要運(yùn)用到卡爾曼濾波的遞推估測(cè)方程來觀察方程釋放出來的狀態(tài)信息，并把上一時(shí)刻的估算值與當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)的數(shù)值進(jìn)行在線更新，除去系統(tǒng)帶來的誤差與干擾，達(dá)到理想效果，如式(3)、式(4)。

其中，XK是系統(tǒng)狀態(tài)變量，UK是系統(tǒng)的輸入變量，yk系統(tǒng)狀態(tài)輸出量，f(xk,uk)與g(xk,uk)是電池模型確定的非線性方程，在估算時(shí)進(jìn)行線性化。

卡爾曼濾波算法的優(yōu)點(diǎn)是適合于電流波動(dòng)比較劇烈的混合動(dòng)力汽車電池SOC的估測(cè)，它可以給出SOC的估測(cè)誤差值。但是，它的缺點(diǎn)是如果SOC的估算值越高，電池模型就越復(fù)雜，計(jì)算量就比一般的計(jì)算量大很多，而且它受溫度，自放電率和放倍率的影響大。

1.3 模糊邏輯推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

人工智能方向中最重要的分支，一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)另一種是模糊邏輯推理。所謂模糊邏輯推理就是以人的思想、思維方式進(jìn)行定點(diǎn)分析與推導(dǎo)，具有很強(qiáng)的自處理能力；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法主要結(jié)構(gòu)可概括為3層：

（1）輸入層

（2）隱含層

（3）輸出層

它具有非線性、自學(xué)習(xí)特點(diǎn)，可以整合來自不同的電池?cái)?shù)據(jù)，并確定各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。利用模糊邏輯推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力估測(cè)SOC[6]，如圖1所示。

圖1 模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

1.4 開路電壓法

開路電壓法是比較簡(jiǎn)單的測(cè)量方法，它可以利用電池電動(dòng)勢(shì)來確定電池的SOC[7]。電池的SOC與開路電壓（Open Circuit Voltage，OCV）有良好的線性關(guān)系，開路電壓法即是利用OCV-SOC這一穩(wěn)定的線性關(guān)系進(jìn)行SOC估測(cè)[8]。OCV無(wú)法直接測(cè)量得出，無(wú)法用于車輛SOC實(shí)時(shí)估算。所以，它只適用在未工作狀態(tài)時(shí)刻的電池使用[9](圖2)。

1.5 支持向量機(jī)法

在非線性估計(jì)時(shí)，支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)估測(cè)精確度比最小二乘法還高，它可以利用數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化并將結(jié)果轉(zhuǎn)化成為支持向量，只要它可以很好的優(yōu)化，那么該算法可以提供較高的SOC估測(cè)精度[10]。

圖2 開路電壓法

以上各個(gè)SOC在線估測(cè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)為如表1所示。

表1 SOC估測(cè)算法的比較

2 電池均衡管理方法

新能源電動(dòng)汽車的電池均衡方法有很多，按傳統(tǒng)分類法可為2大類：

(1)被動(dòng)均衡

(2)主動(dòng)均衡

被動(dòng)均衡是用電阻耗能元件并聯(lián)在電池電路中，使電壓高的一方電池能量轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)出去，實(shí)現(xiàn)電池間的均衡。這種方式叫做能耗型均衡，由于它是把能量轉(zhuǎn)化成熱能造成能量浪費(fèi)，所以，該方法使用較少。主動(dòng)均衡通過電感、電容、變換器從高電壓的電池中向低電壓的電池中進(jìn)行輸送[11]，這樣通過實(shí)現(xiàn)電池間的均衡，這種操作叫做非耗散型均衡。它可以分為2種方法：

(1)集中式均衡：主要采用正激變壓器和反激變壓器

(2)分布式均衡：主要包括Boost-Buck 變換和Cuk均衡法

電池均衡方法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 被動(dòng)均衡方法

被動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。只是在電池2 段并聯(lián)上電阻，當(dāng)一方電池能量高于另一方時(shí)，閉合開關(guān)使能量高的電池通過電阻轉(zhuǎn)化成熱能讓各個(gè)電池組達(dá)到一致平衡。這種方式叫做電阻均衡法，但這種方法缺點(diǎn)是效率比一般方法效率低而且還會(huì)造成電池能量消耗大。

2.1.1 固定電阻分流法

固定電阻分流法是指把需要均衡的電池與電阻進(jìn)行并聯(lián)，中間不需要任何輔助開關(guān)，直接把能量較高的電池能量轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉，從而使各個(gè)電池的能量保持一致(圖4)。

2.1.2 開關(guān)電阻分流法

開關(guān)電阻分流法是指把需要均衡的電池與電阻進(jìn)行并聯(lián)，中間需要加輔助開關(guān)，當(dāng)某個(gè)電池需要均衡時(shí)，可以直接閉合它的開關(guān)，使電池與電阻導(dǎo)通，繼而達(dá)到均衡效果(圖5)。

圖3 電池均衡方法結(jié)構(gòu)

2.2 主動(dòng)均衡方法

主動(dòng)均衡方法也可叫做為能量轉(zhuǎn)移法，在充放電時(shí)，通過輔助設(shè)備把能量從高電位轉(zhuǎn)移至低電位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池組的均衡充放電過程[12]。按照輔助元件的不同，又可分為開關(guān)電容均衡法與DC-DC 變換器式均衡法。

圖4 固定電阻分流均衡電路

圖5 開關(guān)電阻分流均衡電路

2.2.1 開關(guān)電容（電感）均衡法

開關(guān)電容（電感）均衡法是指相鄰電池之間并聯(lián)一個(gè)電容器件。通過開關(guān)器件使電池之間來回變換電容從而實(shí)現(xiàn)高能量電池向低能量電池轉(zhuǎn)移能量。圖6 為開關(guān)電容（電感）均衡方法的電路圖，它由n 個(gè)MOSFET 管組成，以控制2 個(gè)電池組之間的能量均衡。當(dāng)電池V1＜V2時(shí)，M2導(dǎo)通M1關(guān)斷。V2與C1并聯(lián)，此時(shí)電池V2 的能量通過開關(guān)M2流入電容C1中；開關(guān)M2關(guān)斷M1導(dǎo)通，電池V1與C1并聯(lián)，C1中的能量通過開關(guān)M1傳遞給電池V1。完成這個(gè)過程以后，以此類推，通過控制開關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)電容的能量傳遞。

圖6 開關(guān)電容均衡電路

這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作。但是，如果均衡電流過大則不能使用該方法，此方法只適用于小電流均衡，因此，它具有一定的局限性。

2.2.2 DC/DC變換器式均衡法

DC/DC 變換器式均衡法是利用開關(guān)管等半導(dǎo)體器件并結(jié)合儲(chǔ)能元件形成的均衡管理控制策略，通過算法控制開關(guān)管的通斷來達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。DC/DC 變換器可將直流電壓轉(zhuǎn)化為可調(diào)的直流電壓，其中Buck-Boost、Cuk、Buck、Boost 是利用儲(chǔ)能元件使能量從高側(cè)向低側(cè)流動(dòng)。此過程為分布式也可稱為直流斬波電路。正激型、反激型、半橋型能量少的一側(cè)電池所補(bǔ)充的能量是來自整個(gè)電池組中的能量，稱為集中式變換器，也稱為隔離型變換器[13]。DC/DC 變換器均衡法的優(yōu)點(diǎn)是均衡效果好，控制靈敏度高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比其他均衡電路復(fù)雜并且成本高。以下是比較常見的拓?fù)鋱D。

(1)分布式均衡電路

分布式均衡電路有Buck-Boost 變換器均衡電路與Cuk 均衡電路。分布式均衡結(jié)構(gòu)比其他均衡電路復(fù)雜，它是通過相鄰單體電池之間通過均衡器進(jìn)行均衡操作從而實(shí)現(xiàn)電池組之間的能量平衡。

圖7 為Buck-Boost 變換器均衡電路方法，可將高容量電池中的電能通過DC/DC 變換器儲(chǔ)存至儲(chǔ)能裝置中，而后轉(zhuǎn)移至低容量單體電池。Buck-Boost 電路的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)能量在單體間單向或雙向流動(dòng)[14]。Buck-Boost 變換器均衡電路方法無(wú)能量損失，能靈活地轉(zhuǎn)換電壓大小實(shí)現(xiàn)充電、放電狀態(tài)下的均衡。在大功率運(yùn)用和高頻工作下，可節(jié)約空間、減小設(shè)備體積，該方法適合運(yùn)用在空間較小的地方。

圖7 Buck-Boost均衡電路

圖8為Cuk均衡電路，該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但均衡速度快，方向可以雙向傳輸。均衡開啟之前，電容C的電壓Vcj等于單體電池Bi-1的端電壓VBi-1加上單體電池Bi的端電壓VBi，即Vcj=VBi-1+VBi。Cuk 均衡器單元的串聯(lián)電池組的整體均衡電路拓?fù)鋱D，電路包含n個(gè)串聯(lián)的單體電池(或電池組)和n-1個(gè)Q開關(guān)。假設(shè)當(dāng)Cuk 均衡電路中的VBi-1高于VBi時(shí)Q1關(guān)閉，Bi-1-Li-1- MI-1形成閉環(huán)BI-1的電能經(jīng)過LI-1時(shí)一部分電能被存儲(chǔ)起來了。此時(shí)，Bi-1的電能下降。

(2)集中式均衡電路

常見的集中式均衡電路主要有正激式均衡電路與反激式均衡電路[15]。集中式電路是通過一個(gè)多輸出均衡器從而實(shí)現(xiàn)在電池組內(nèi)能量之間的轉(zhuǎn)移，把電能高的能量向電能低的電池轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)電池組能量均衡。

圖8 Cuk均衡電路

圖9所示為多繞組輸入的正激式均衡電路。每個(gè)單體電池都有均衡器，當(dāng)單體電池電壓高于平均值時(shí)，其場(chǎng)效應(yīng)管啟動(dòng)，把單體電壓高的能量送到電池組上。該電路場(chǎng)效應(yīng)管比較多，結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜而且成本高。

圖9 正激式均衡電路

圖10 所示是多繞組輸出反激式均衡電路。通過原邊副邊匝數(shù)比與場(chǎng)效應(yīng)管通斷，實(shí)現(xiàn)讓電池電壓低的一側(cè)獲得較高的電流能量。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，容易控制。

圖10 反激式均衡電路

3 總結(jié)

表2 各種均衡方式的比較

新能源電動(dòng)汽車要在市場(chǎng)上大規(guī)模推廣，其電池性能與壽命的提高是關(guān)鍵。純粹提高單體電池壽命達(dá)到電池組的壽命是不現(xiàn)實(shí)的，提高電池組均衡效率和精度，才能最大限度的提高電池組使用壽命。

本文所述的各種動(dòng)力電池均衡控制策略和均衡方法各有優(yōu)劣。目前為止，沒有一個(gè)均衡方法可以同時(shí)兼顧均衡速度，均衡效率。均衡電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作的均衡器對(duì)電池組的影響效果不好，然而，靈活性好，結(jié)構(gòu)復(fù)雜的均衡器，成本高且不易控制。

為解決上述問題，解決動(dòng)力電池組均衡控制發(fā)展是新方向。首先，研究新的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以利用軟開關(guān)，它體積小、損耗小、均衡控制模塊智能化。其次，SOC是不能直接測(cè)量出來的，需要電池的等效電路來對(duì)其進(jìn)行在線估測(cè)，目前常用的估測(cè)方法有安時(shí)積分法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，這些方法通常計(jì)算量大且不易實(shí)現(xiàn)。所以對(duì)這些估測(cè)方法進(jìn)行算法優(yōu)化可減少計(jì)算量來提高均衡模塊的效率、速度和準(zhǔn)確度，從而實(shí)現(xiàn)提高電池使用壽命。最后，綜合傳統(tǒng)均衡器的優(yōu)點(diǎn)把傳統(tǒng)均衡器混合均衡從中可以克服單個(gè)缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)均衡電路地高效運(yùn)行。