電動(dòng)汽車泊車狀態(tài)下的電池均衡方案

劉木林，卜凡濤，林 輝，孫 洋

（東軟睿馳汽車技術(shù)（沈陽(yáng)）有限公司，沈陽(yáng) 110000）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)及國(guó)際上電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，如何提高動(dòng)力電池的使用效率、延長(zhǎng)動(dòng)力電池組的使用壽命成為一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題[1]。而動(dòng)力電池在使用的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)單體電量不一致的現(xiàn)象，進(jìn)而降低了整個(gè)電池組的可用容量和動(dòng)力性，同時(shí)也縮短了動(dòng)力電池組使用壽命[2]。傳統(tǒng)的方法是采用被動(dòng)均衡方案解決這一問(wèn)題。但是傳統(tǒng)的被動(dòng)均衡方案由于均衡的電流非常小，往往不能夠消除動(dòng)力電池在使用中產(chǎn)生的單體電量不一致的問(wèn)題[3]。如果采用主動(dòng)均衡方案的話，由于主動(dòng)均衡的電流較大，所有可以在短時(shí)間內(nèi)消除單體電池的電量差異。但是同時(shí)使用主動(dòng)均衡又引入了另外一些問(wèn)題，比如均衡系統(tǒng)復(fù)雜、安全性與可靠性無(wú)法保證、增加系統(tǒng)成本等問(wèn)題。本文旨在介紹一種電動(dòng)車泊車狀態(tài)下的電池均衡方案[4]。本方案仍然采用被動(dòng)均衡作為基礎(chǔ)，這樣就保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠性，同時(shí)制造成本沒有明顯提升。針對(duì)被動(dòng)均衡電流小的問(wèn)題，本方案采用了延遲均衡時(shí)間的方法，在一定時(shí)間內(nèi)能夠均衡更多的電量[5]。本方案采用分布式的信號(hào)采集系統(tǒng)，在泊車狀態(tài)下主控制單元進(jìn)入休眠狀態(tài)從而減少耗電，信號(hào)采集及均衡控制單元全天候工作，在泊車狀態(tài)下也能以低功耗狀態(tài)以預(yù)設(shè)的控制邏輯和參數(shù)進(jìn)行工作[6]。預(yù)期達(dá)到的效果是在動(dòng)力電池一致性較差的車輛上配備本系統(tǒng)，電動(dòng)車輛經(jīng)過(guò)一個(gè)月的常規(guī)使用后電池的一致性差異能夠達(dá)到新車出廠的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

1 研究意義

電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組一般由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成。由于單體電池間性能存在差異，同時(shí)由于電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題，不同單體電池的使用溫度等條件也存在差異性，這些因素都造成了電動(dòng)車在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)單體電池間的電量差異的情況[7]。根據(jù)木桶原理，整個(gè)電池組的電量由最低的單體電池的電量決定[8]。因此對(duì)于動(dòng)力電池組的均衡功能至關(guān)重要，它可以提高電池組的實(shí)際可用電量，提高動(dòng)力電池組的功率型，延長(zhǎng)動(dòng)力電池組的使用壽命。

對(duì)于動(dòng)力電池組的均衡方案，按電量耗散類型可以分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種[9]。主動(dòng)均衡的基本原理是對(duì)電量低的單體電池進(jìn)行充電[10]。硬件結(jié)構(gòu)上一般利用一些儲(chǔ)能器件如電感、電容、變壓器等，將整個(gè)電池組的電量搬運(yùn)到低電量的單體電池上。它的優(yōu)勢(shì)是能量利用效率高，均衡能力強(qiáng)[11]。但是也存在明顯的劣勢(shì)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，系統(tǒng)的可靠性降低；占用空間較大，對(duì)于小型乘用車不利于安裝布置；成本非常高。被動(dòng)均衡的基本原理是對(duì)電量高的單體電池進(jìn)行放電，從而是所有單體電池的電量達(dá)到相對(duì)一致的程度[12]。電路結(jié)構(gòu)上也非常簡(jiǎn)單，就是在每個(gè)單體電池上并聯(lián)一個(gè)耗散電阻和開關(guān)。它的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)可靠性高；占用空間小，易于安裝布置；制造成本低。同時(shí)也存在一個(gè)非常明顯的缺點(diǎn)，均衡電流非常小，均衡能力有限。

雖然被動(dòng)均衡的電流小，但不代表均衡的電量就一定小。根據(jù)電量計(jì)算公式Q=I×T（Q為電量；I為電流；T為時(shí)間），如果想得到更多的電量，除了提高電流之外，還有一個(gè)途徑是延長(zhǎng)時(shí)間。傳統(tǒng)的均衡系統(tǒng)由于使用車載12 V鉛酸電池的電量，同時(shí)系統(tǒng)的功耗較大，因此只能在車輛上電的狀態(tài)下（車輛行駛或充電的過(guò)程）才能進(jìn)行均衡。因此可利用的時(shí)間非常有限。而實(shí)際在車輛使用過(guò)程中，行駛和充電只占很少的時(shí)間，大部分時(shí)間車輛處于停泊狀態(tài)。如果能在車輛停泊的時(shí)間里進(jìn)行均衡，那么會(huì)大大提高被動(dòng)均衡系統(tǒng)的均衡電量。本文接下來(lái)就要詳細(xì)說(shuō)明一種在停泊狀態(tài)下可進(jìn)行均衡功能的系統(tǒng)。

2 電池均衡系統(tǒng)架構(gòu)

圖1所示為支持泊車狀態(tài)下工作的電池均衡系統(tǒng)架構(gòu)。其中包含兩個(gè)關(guān)鍵的控制單元，即BIC和BMU，對(duì)它們的功能描述如下。

圖1 支持泊車狀態(tài)下工作的電池均衡系統(tǒng)架構(gòu)

（1）BIC：電池信息采集單元。本系統(tǒng)中包含3個(gè)BIC，如圖中所示的BIC1、BIC2、BIC3。它們的主要功能是采集動(dòng)力電池組中串聯(lián)單體電池的電壓、電池溫度，對(duì)單體電池均衡進(jìn)行，對(duì)電路板上的均衡區(qū)溫度進(jìn)行控制。供電電源是動(dòng)力電池組。該控制單元使用的核心芯片為NXP33775。

（2）BMU：電池管理單元。主要進(jìn)行單體電池剩余電量的計(jì)算，均衡剩余時(shí)間的計(jì)算，其他均衡相關(guān)參數(shù)的計(jì)算。BIC和BMU之間的通信采用菊花鏈通信方式，同時(shí)該通信方式也具有喚醒的功能。

3 控制策略

泊車狀態(tài)下的均衡是依靠BIC電路板上的芯片（NXP3375）中的固有程序自動(dòng)運(yùn)行的。但是BIC在泊車狀態(tài)下均衡的控制參數(shù)都是在BMU工作的時(shí)候進(jìn)行計(jì)算并發(fā)送給BIC的。因此整個(gè)均衡控制策略分為行車/充電狀態(tài)和泊車狀態(tài)兩個(gè)部分。下面就分別對(duì)這兩個(gè)部分的控制邏輯進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

在行車或充電狀態(tài)下，均衡控制流程如下：車輛上電后，BIC首先要采集電池的溫度、電壓等信息并通過(guò)菊花鏈通信發(fā)送給BMU。然后BMU要進(jìn)行一系列的計(jì)算得出每個(gè)單體電池的均衡剩余時(shí)間。接著就是對(duì)單體電池進(jìn)行均衡并計(jì)時(shí)，如果均衡期間有嚴(yán)重等級(jí)的故障（如單體電壓過(guò)低、溫度過(guò)高等）則停止均衡，均衡時(shí)間到之后推出均衡。當(dāng)接收到車輛發(fā)送來(lái)的下電請(qǐng)求信號(hào)后，BMU將均衡控制參數(shù)（包括均衡剩余時(shí)間，溫度控制閾值，單體電壓截止閥值等）通過(guò)菊花鏈通信發(fā)送給BIC。最后BMU進(jìn)入休眠狀態(tài)。具體流程如圖2所示。

圖2 行車或充電狀態(tài)下的均衡控制流程

在泊車狀態(tài)下，均衡控制流程：低壓下電后首先判斷剩余的均衡時(shí)間是否大于T1（根據(jù)電池及均衡系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定），其意義是如果在短時(shí)間內(nèi)可完成均衡那就不用開啟泊車均衡功能，只在行車或充電狀態(tài)下均衡即可。然后BIC就按照預(yù)置的控制策略進(jìn)行均衡控制。具體流程如圖3所示。對(duì)于預(yù)置的均衡策略及參數(shù)的說(shuō)明如下。

圖3 泊車狀態(tài)下的均衡控制流程

（1）基于時(shí)間的泊車均衡方式。單體電池均衡過(guò)程中進(jìn)行計(jì)時(shí)，該時(shí)間由BMU計(jì)算并發(fā)送給BIC，計(jì)時(shí)時(shí)間到達(dá)后則關(guān)閉該單體電池的均衡。

（2）低電壓停止均衡。均衡的過(guò)程中，當(dāng)有任意單體電壓達(dá)到最低電壓時(shí)，停止所有單體電池的均衡。

（3）避免深度放電，均衡最長(zhǎng)時(shí)間限制。設(shè)定一個(gè)最長(zhǎng)的均衡時(shí)間，當(dāng)有一個(gè)單體電池均衡時(shí)間大于該值時(shí)所有均衡停止。

（4）延遲啟動(dòng)均衡控制。有些情況下，電池的溫度較高，需要等待一定時(shí)間，當(dāng)電池溫度降下來(lái)之后才允許做均衡。

（5）均衡區(qū)溫度控制。均衡的過(guò)程中，當(dāng)均衡區(qū)溫度大于一定值（由BIC電路設(shè)計(jì)參數(shù)決定），則暫停均衡；當(dāng)均衡區(qū)溫度小于一定值（由BIC電路設(shè)計(jì)參數(shù)決定），則重新開啟均衡。這里采用滯環(huán)控制，使均衡區(qū)溫度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。

（6）均衡電流的PWM控制。如果硬件設(shè)計(jì)的均衡電流較大時(shí)，可使用該功能使實(shí)際的均衡電流變小，從而減少均衡電阻的發(fā)熱量。

最后是均衡結(jié)束并喚醒系統(tǒng)的時(shí)間設(shè)置。當(dāng)所有單體的均衡時(shí)間都?xì)w為0時(shí)，需要對(duì)BMS系統(tǒng)進(jìn)行喚醒。目的是喚醒后需要BMS系統(tǒng)檢驗(yàn)本次泊車均衡的效果，如果達(dá)到均衡的預(yù)期目標(biāo)則BMS可以進(jìn)入完全休眠的狀態(tài)，如果沒有達(dá)到均衡預(yù)期目標(biāo)則需要BMS進(jìn)行下一次泊車均衡相關(guān)參數(shù)的計(jì)算，開啟下一個(gè)泊車均衡循環(huán)。這里需要注意由于系統(tǒng)一次最多支持到45 h的泊車均衡，因此如果均衡時(shí)間大于45 h的需要在45 h到達(dá)后喚醒一次BMS系統(tǒng)，然后再進(jìn)行下一次泊車均衡循環(huán)。

4 電池均衡能力計(jì)算

以一個(gè)200 A·h的純電動(dòng)汽車作為參考，對(duì)比傳統(tǒng)的均衡方案和支持泊車均衡方案的均衡能力。假設(shè)在電路設(shè)計(jì)上兩者的均衡電流都是30 mA。實(shí)際上由于在泊車均衡中信號(hào)采集的頻率較低、無(wú)需診斷占用時(shí)間，所以泊車均衡的有效均衡電流會(huì)大于傳統(tǒng)均衡方案。

對(duì)兩種方案的均衡時(shí)間進(jìn)行估計(jì)，按一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行計(jì)算。傳統(tǒng)均衡方案下，車輛每天使用2 h，每月充電5次，每次充電6 h。那么總共可進(jìn)行均衡的時(shí)間為90 h。均衡的電量為30 mA×720 h=21.6 A·h，換算為SOC為10.8%。而本設(shè)計(jì)，在泊車狀態(tài)也可以均衡，基本上可以做到一個(gè)24 h均衡，則一個(gè)月的總的均衡時(shí)間可達(dá)到720 h。均衡的電量為30 mA×720 h=21.6 A·h，換算為SOC為10.8%。

表1 均衡能力對(duì)比表

動(dòng)力電池的不一致性通過(guò)最高單體SOC和最低單體SOC的差值來(lái)表示。造成電池不一致的原因有很多，例如不同單體電池的自放電率不一樣，使用溫度等環(huán)境條件不一致，電池出廠時(shí)由于制作工藝導(dǎo)致的差異性等。一般條件下電池的不一致性為每個(gè)月SOC差異在2%～3%，極端差的條件下不一致性甚至可以達(dá)到10%。因此可以看出，傳統(tǒng)的均衡方式月均衡量為1.35%，只能滿足較好的電池使用條件下產(chǎn)生的差異，隨著電池使用時(shí)間的增加或在惡劣環(huán)境下使用，這種均衡方式是不能滿足動(dòng)力電池使用要求的。而本方案延長(zhǎng)了均衡時(shí)間，月均衡量達(dá)到10.8%，即使電池在最惡劣的條件下使用，也能夠消除電池的不一致情況。

5 均衡效果對(duì)比實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的均衡效果，使用兩輛純電動(dòng)汽車分別搭載傳統(tǒng)均衡系統(tǒng)和本方案的均衡系統(tǒng)做一個(gè)月的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。兩輛電動(dòng)車除了均衡系統(tǒng)不同之外，其他條件均相同，使用條件也相同。動(dòng)力電池的容量為205 A·h，人為設(shè)置兩個(gè)電池組的電量差異都是8%。使用情況為每天市區(qū)通行約2～3 h，大約5天時(shí)間使用慢充樁充一次電。在一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，每天記錄電池組的電量差異（ΔSOC）情況，記錄如表2所示，其中ΔSOC1為傳統(tǒng)均衡系統(tǒng)的電量差異，ΔSOC2為本方案均衡系統(tǒng)的電量差異。

表2 均衡效果測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比表

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制成電量差異（ΔSOC）與時(shí)間相關(guān)的圖形，如圖4所示?？梢钥吹绞褂脗鹘y(tǒng)均衡系統(tǒng)的電池組電量差異ΔSOC1始終以緩慢的速率下降。30天過(guò)程中，ΔSOC從8%下降到6.4%，均衡消除的電量差異為1.6%。傳統(tǒng)均衡方案在進(jìn)行了30天的均衡后電池組還有6.4%的電量差異，不能滿足消除電池組電量差異的需求。而使用本方案的均衡系統(tǒng)的電池組電量差異ΔSOC2的速率下降則非?？?，大約以每天0.3%的速率在下降。到達(dá)第22天時(shí)ΔSOC2已經(jīng)下降到2%，由于電池組出廠檢驗(yàn)的ΔSOC容許差異為2%，因此到達(dá)這一數(shù)值后就不再進(jìn)行均衡操作了。第22天到第30天的這8天內(nèi)，ΔSOC2偶爾上升到2.1%，也都能夠及時(shí)的開啟均衡，使ΔSOC2始終維持在2%以內(nèi)。

圖4 兩種方案下的均衡效果對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的均衡方案相比，本方案在不大幅增加制造成本，保證系統(tǒng)安全可靠性的前提下，能夠大幅提高系統(tǒng)的均衡能力。從系統(tǒng)架構(gòu)可看出，在硬件結(jié)構(gòu)上本方案只升級(jí)了采集控制芯片，除此之外沒有額外的增加制造成本。在泊車狀態(tài)下的均衡控制策略方面，加入了多重的安全冗余控制，如均衡剩余時(shí)間約束、最低單體電壓約束、均衡區(qū)溫度約束等，保證了系統(tǒng)的安全性，實(shí)際的測(cè)試過(guò)程中也沒出現(xiàn)過(guò)安全方面的問(wèn)題。最重要的是通過(guò)本文對(duì)不同方案均衡系統(tǒng)的均衡能力的計(jì)算及實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，本方案額外利用了泊車狀態(tài)下的時(shí)間進(jìn)行均衡，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)均衡方案均衡電流較小的缺陷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，即使在電池一致性最差的條件下，經(jīng)過(guò)不到一個(gè)月時(shí)間的均衡，也能達(dá)到電池組出廠檢驗(yàn)時(shí)的要求，達(dá)到了預(yù)期效果。