動(dòng)力電池主動(dòng)均衡離線設(shè)備的設(shè)計(jì)

劉瓊瓊，費(fèi)孝濤,2，施海鳳，史品佳，徐京寧

（1.江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院 智能交通學(xué)院，江蘇 淮安 223003；2.馬來(lái)西亞博特拉大學(xué) 工程學(xué)院，雪蘭莪州 沙登 43400；3.淮安市翔龍?zhí)胤N車輛有限公司，江蘇 淮安 223005）

新能源汽車的動(dòng)力電池總成是由若干個(gè)電池模組構(gòu)成，每一個(gè)模組是由若干個(gè)單體電池通過(guò)串、并聯(lián)的方式組成。當(dāng)同一規(guī)格型號(hào)的單體電池組成動(dòng)力電池總成后，其電壓、容量、內(nèi)阻、壽命、溫度影響、自放電率等參數(shù)存在一定的差別[1]。在新能源汽車使用過(guò)程中，受駕駛習(xí)慣和溫度等條件影響，導(dǎo)致單體電池的不一致性逐漸放大，從而加速電池性能衰減，造成動(dòng)力電池充電充不滿、放電放不完，嚴(yán)重影響車輛的續(xù)航里程和電池的使用壽命[2]，所以動(dòng)力電池的均衡十分重要。

1 動(dòng)力電池的均衡控制方法

目前，新能源汽車動(dòng)力電池均衡主要有兩種方法：一種是通過(guò)集成在車輛上的電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）在線監(jiān)測(cè)均衡，目前這種均衡方法用于充電均衡，在動(dòng)力電池充電的同時(shí)進(jìn)行放電均衡，容易導(dǎo)致電池總成溫度升高，故均衡電流較小，一般控制在2 A以下。為了提高車輛可靠性，系統(tǒng)在開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，一般設(shè)置在單體電池電壓壓差超過(guò) 100 mV時(shí)才開始均衡，精度較低。所以當(dāng)單體電池的不一致性超過(guò)BMS的均衡范圍時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)車輛續(xù)航縮短的情況[3-5]。另外一種方法就是使用故障診斷儀讀取其中不均衡的模組信息，通過(guò)外接設(shè)備實(shí)現(xiàn)離線均衡，要求將動(dòng)力電池包拆下，通過(guò)外接設(shè)備將此模組中的單體電池進(jìn)行均衡[6]。

動(dòng)力電池的均衡控制按照能量是否有損失可以分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡[7]。被動(dòng)均衡也稱為能量耗散型控制，是通過(guò)串聯(lián)電阻的方式將電池多余的能量耗散掉來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡，如圖 1所示。被動(dòng)均衡具有結(jié)構(gòu)功能易實(shí)現(xiàn)、成本低的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是均衡過(guò)程中放電會(huì)導(dǎo)致電池包升溫。主動(dòng)均衡也稱為能量轉(zhuǎn)移型控制，經(jīng)常采用電感均衡、電容均衡和變壓器均衡[8-11]，它是將電量高的單體電池的一部分能量轉(zhuǎn)移到電容或電感中，再將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到電量低的單體電池中，以實(shí)現(xiàn)均衡，如圖 2所示。主動(dòng)均衡具有低能耗的特點(diǎn)，缺點(diǎn)是成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜在線均衡比較難以實(shí)現(xiàn)。

圖1 被動(dòng)均衡

圖2 主動(dòng)均衡

目前車輛 BMS一般只在充電終了時(shí)進(jìn)行均衡，但是充電時(shí)間的長(zhǎng)短和車主的使用有很大的關(guān)系，當(dāng)剩余電量較大時(shí)進(jìn)行充電，則BMS進(jìn)行均衡的時(shí)間就較短，導(dǎo)致均衡不完全，單體電池的不一致性在車輛使用過(guò)程中，誤差積累越來(lái)越大，此時(shí)會(huì)超出BMS的均衡范圍，車輛會(huì)出現(xiàn)續(xù)航明顯下降，充電時(shí)間變短。這種情況下，就需要用離線外接設(shè)備進(jìn)行均衡。

本文設(shè)計(jì)了一種離線的動(dòng)力電池的主動(dòng)均衡設(shè)備，采用雙向DC-DC均衡控制模塊，實(shí)現(xiàn)單體電池之間的能量轉(zhuǎn)移，以達(dá)到動(dòng)力電池的均衡修復(fù)。相對(duì)比現(xiàn)有市場(chǎng)的均衡維護(hù)設(shè)備，均衡電流可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，最高可達(dá)20 A，提高均衡效率，智能化程度也大大增加，便于新能源汽車動(dòng)力電池維修后市場(chǎng)使用。

2 動(dòng)力電池總成離線均衡設(shè)備設(shè)計(jì)方案

2.1 離線均衡設(shè)備結(jié)構(gòu)框架

為了解決均衡設(shè)備效率低、能量耗散的問(wèn)題，提出一種雙向隔離DC-DC的主動(dòng)均衡維護(hù)設(shè)備的方案，主要應(yīng)用于離線單體電池的均衡。均衡設(shè)備屬于外接設(shè)備，不需要用電源喚醒工作。離線的均衡設(shè)備采用主從式，主要是由顯示屏、主控制模塊和多個(gè)均衡模塊組成，結(jié)構(gòu)框架如圖 3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)框架圖

雙向DC-DC均衡控制模塊的采集線檢測(cè)各單體電壓，再通過(guò)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）通訊傳遞給主控模塊。進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)，首先在顯示屏上選擇電池類型、對(duì)應(yīng)的標(biāo)稱電壓（三元鋰電池3.6 V、磷酸鐵鋰電池3.3 V[12]）等參數(shù)，當(dāng)主控模塊采集到各單體電壓后，和相應(yīng)的鋰電池類型的標(biāo)準(zhǔn)電壓對(duì)比，判斷不均衡的單體電池，根據(jù)壓差，自動(dòng)計(jì)算出均衡電流并控制相應(yīng)的均衡控制模塊進(jìn)行均衡，同時(shí)通過(guò)串口通訊顯示在顯示屏上。

2.2 均衡控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)

均衡控制模塊是整個(gè)設(shè)備的核心部分，主要是對(duì)動(dòng)力電池中欠壓的單體電池充電均衡，這要求均衡控制模塊將最大的單體電壓逆變升壓，給最小的單體電池充電。本文選擇雙向DC-DC變換器作為執(zhí)行均衡功能的部件，每個(gè)均衡模塊采用MC9S12XET256作為控制電路，接收主控模塊的指令，通過(guò)對(duì)各單體電壓進(jìn)行采集后，輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）占空比控制信號(hào)控制雙向DC-DC變壓器的輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)各單體電池的均衡控制。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 均衡控制模塊

2.3 雙向均衡DC-DC變壓器的設(shè)計(jì)

根據(jù)均衡設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架，為了防止各單體電池均衡時(shí)被短路，所以要求均衡控制模塊應(yīng)滿足輸入電路、輸出電路之間的電氣隔離[1]。本文將選用雙向正激DC-DC變壓器，工作相對(duì)穩(wěn)定、可靠性較高，為了實(shí)現(xiàn)變壓器的磁芯復(fù)位，避免因磁芯發(fā)生磁飽和，導(dǎo)致磁導(dǎo)率下降引起的變壓器短路，加裝了輔助電路，其拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)如圖 5所示。

圖5 雙向正激DC-DC變壓器的拓?fù)潆娐?/p>

3 均衡控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 均衡控制變量的選取

均衡控制變量是判斷動(dòng)力電池中單體電壓是否發(fā)生不一致的主要特征參數(shù)，在理論研究中主要采用的有開路電壓、工作電壓、電池剩余電量（State of Charge, SOC）、剩余容量等[13]。由于本文研究的是離線均衡設(shè)備，故采用開路電壓作為均衡變量，可直接通過(guò)采集線或CAN通訊獲得電壓數(shù)據(jù)。

在均衡過(guò)程開始時(shí)，首先通過(guò)雙向DC-DC均衡控制模塊通過(guò)采集線獲取各單體開路電壓，應(yīng)滿足：

式中，icellmax是動(dòng)力電池總成的單體電池的數(shù)量最大值；Ucellmin是動(dòng)力電池類型最小放電截止電壓，一般磷酸鐵鋰電池為2.85 V，三元鋰電池為3.2 V；Ucellmax是動(dòng)力電池類型最大充電截止電壓，一般磷酸鐵鋰電池為3.75 V，三元鋰電池為4.15 V。

再計(jì)算出平均電壓

然后計(jì)算單體電壓之間的壓差，壓差可以準(zhǔn)確地反應(yīng)動(dòng)力電池總成不一致情況。

根據(jù)單體電池之間的電壓壓差確定均衡控制區(qū)間，單體中Umax所在 DC-DC控制模塊逆向升壓向單體Umin充電，直至所有的單體壓差滿足閾值要求。

3.2 均衡電流選取

動(dòng)力電池在用均衡設(shè)備均衡時(shí)，為了保護(hù)單體電池不會(huì)產(chǎn)生過(guò)充，會(huì)根據(jù)單體的欠壓情況，自動(dòng)選擇均衡電流，一般會(huì)滿足先小電流1 A充電，以提高單體電池端電壓，然后選擇大電流20 A充電，以提高均衡效率，最后進(jìn)行恒壓充電，避免過(guò)充造成單體電池?fù)p壞。

（1）對(duì)于磷酸鐵鋰電池，根據(jù)單體電壓欠壓情況，進(jìn)行均衡電流的選取如下：

當(dāng)2.65V＜Ui＜3.1V時(shí)，ibalance=1A；

當(dāng)3.1V＜Ui＜3.6V時(shí)，ibalance=20 A；

當(dāng)3.6V＜Ui＜3.65V時(shí)，恒壓充電。

（2）對(duì)于三元鋰電池，根據(jù)單體電壓欠壓情況，進(jìn)行均衡電流的選取如下：

當(dāng)3.2V＜Ui＜3.5V時(shí)，ibalance=1A；

當(dāng)3.5V＜Ui＜4.1V時(shí)，ibalance=20A；

當(dāng)4.1V＜Ui＜4.15V時(shí)，恒壓充電。

3.3 均衡時(shí)間的計(jì)算

動(dòng)力電池的總均衡時(shí)間和充電均衡電流、單體欠壓程度密切相關(guān)，每一塊需要均衡的單體電池所需要的時(shí)間為

當(dāng)動(dòng)力電池總成出現(xiàn)多個(gè)單體電池不一致時(shí)，總的均衡時(shí)間計(jì)算如式（5）：

式中，tcellbal是存在不一致性的單體電池的均衡時(shí)間，CΔi是單體電池需要均衡的容量（Ah），Δt是恒壓階段的均衡時(shí)間，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)Δt=0.5 h。

4 能量轉(zhuǎn)移型動(dòng)力電池離線均衡控制策略

當(dāng)新能源汽車出現(xiàn)續(xù)航里程下降、充電時(shí)間縮短的現(xiàn)象時(shí)，動(dòng)力電池的管理系統(tǒng)BMS已經(jīng)無(wú)法進(jìn)行均衡，需要將動(dòng)力電池總成離車均衡，即離線均衡。首先要嚴(yán)格按照車型對(duì)應(yīng)的廠家維修手冊(cè)操作流程，將動(dòng)力總成從整車上拆接下來(lái)，然后連接均衡設(shè)備，均衡設(shè)備不需要外接電源啟動(dòng)，可以通過(guò)連接在單體電池上的采樣線進(jìn)行喚醒工作。

在實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)新能源汽車動(dòng)力電池管理系統(tǒng)和維修后市場(chǎng)大部分均衡設(shè)備采用的是能量耗散型方式均衡，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求，只能小電流進(jìn)行均衡，大電流均衡會(huì)造成熱失控，嚴(yán)重時(shí)引起電池的鼓包、自燃等現(xiàn)象。本文研究的是能量轉(zhuǎn)移型的均衡控制，壓差閾值可以控制在50 mV，同時(shí)均衡電流可以達(dá)到20 A，大大提高均衡效率，動(dòng)力電池離線進(jìn)行單體電池均衡的控制流程如圖6所示。

圖6 均衡控制流程

雙向DC-DC均衡模塊通過(guò)連接到單體電池上的采集線，獲取單體電池電壓數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN通訊傳輸至主控板，主控板判斷所采集到的所有單體電池中，最大電壓和最小電壓之間的壓差是否滿足設(shè)定的 50 mV，不滿足說(shuō)明壓差過(guò)大，單體電池之間出現(xiàn)不一致性，此時(shí)需要進(jìn)行均衡修復(fù)。最大單體電池電壓對(duì)應(yīng)的雙向DC-DC均衡模塊逆向升壓，將電壓通過(guò)最小單體電池電壓的均衡模塊，向該電池充電。均衡后主控板，重新檢測(cè)所有單體電池電壓，判斷再次出現(xiàn)壓差超過(guò)50 mV的兩個(gè)單體電池，再次通過(guò)雙向DC-DC均衡模塊逆向升壓，向電壓?jiǎn)误w電池充電，反復(fù)檢測(cè)、均衡，直至左右單體電池滿足壓差要求，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池總成的均衡。若長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法均衡兩單體壓差，則判斷單體電池發(fā)生故障，進(jìn)行單體或模組的更換。

5 能量轉(zhuǎn)移型動(dòng)力電池離線均衡設(shè)備測(cè)試

為了驗(yàn)證均衡設(shè)備的使用效果，本文對(duì)一款某車型純電動(dòng)汽車動(dòng)力電池出現(xiàn)的不一致性故障進(jìn)行修復(fù)，該車型動(dòng)力電池采用的是磷酸鐵鋰電池，具體參數(shù)如表 1所示。車輛充滿電只能行駛310 km，電池SOC低于10%，動(dòng)力電池的故障燈點(diǎn)亮。通過(guò)故障診斷儀讀取故障碼為P31A3電池單體電壓過(guò)低故障，讀取數(shù)據(jù)流，顯示如表 2所示。

表1 某車型動(dòng)力電池參數(shù)

表2 故障碼P31A3對(duì)應(yīng)讀取的數(shù)據(jù)流

分析數(shù)據(jù)流可以看出，最大單體電池電壓為3.323 V與最小單體電池電壓3.106 V之間的壓差為217 mV，車輛自帶的電池管理系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)壓差達(dá)到100 mV時(shí)進(jìn)行充電均衡，車輛在長(zhǎng)時(shí)間充電后壓差仍很大，說(shuō)明單體壓差過(guò)大電池管理系統(tǒng)本身已經(jīng)無(wú)法均衡，所以必須采用均衡設(shè)備進(jìn)行均衡修復(fù)。

在完成高壓下電和動(dòng)力電池包拆解后，連接本文研究的均衡設(shè)備進(jìn)行離線均衡修復(fù)，均衡設(shè)備一次可以完成24個(gè)單體電壓的均衡，如圖7所示。經(jīng)過(guò) 5個(gè)小時(shí)的設(shè)備均衡，再次讀取對(duì)應(yīng)模組的數(shù)據(jù)流，沒(méi)有出現(xiàn)單體欠壓的情況，單體電池之間的最大壓差從217 mV降低到41 mV，動(dòng)力電池中出現(xiàn)不一致性的模組均衡前后單體電池的電壓變化，如圖 8所示，均衡前后壓差的數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。

圖7 離線均衡測(cè)試

圖8 某車型4號(hào)模組單體電壓均衡對(duì)比

表3 單體電池均衡前后的壓差數(shù)據(jù)對(duì)比 單位：mV

6 結(jié)論

本文提出了一種動(dòng)力電池主動(dòng)均衡設(shè)備的結(jié)構(gòu)框架，研究了均衡設(shè)備的軟硬件及其控制方法，設(shè)備采用雙向DC-DC均衡控制模塊，高電壓的單體電池通過(guò)此均衡模塊逆向升壓向低電壓?jiǎn)误w電池充電，實(shí)現(xiàn)不均衡單體電池間的能量轉(zhuǎn)移，這種均衡方式產(chǎn)生熱量較少，均衡電流能提高至20 A，同時(shí)可避免能量耗散方法均衡造成的動(dòng)力電池過(guò)熱現(xiàn)象。在電池總成均衡設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程中，均衡變量及均衡電流參數(shù)閾值均來(lái)自工程實(shí)際，實(shí)用性較好，可廣泛應(yīng)用于各類鋰電池。經(jīng)過(guò)大量電池的均衡測(cè)試，表明該設(shè)備可以滿足車規(guī)級(jí)動(dòng)力電池的均衡修復(fù)。

雖然本解決方案在動(dòng)力電池均衡方面具有能量轉(zhuǎn)移型控制的優(yōu)點(diǎn)，但是受制于設(shè)備體積大、接線復(fù)雜，暫時(shí)無(wú)法設(shè)計(jì)在動(dòng)力電池總成內(nèi)部。但隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)可通過(guò)動(dòng)力電池總成內(nèi)部采樣線，直接來(lái)實(shí)現(xiàn)單體電池間的均衡，將極大提高動(dòng)力電池的一致性，延長(zhǎng)其使用壽命。