基于多層均衡的電動(dòng)汽車鋰電池組均衡優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉嘉宣

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

鋰電池作為現(xiàn)今應(yīng)用最廣泛的電池之一，因其較高的能量密度以及功率密度受到了廣大電動(dòng)汽車生產(chǎn)商的青睞。而電池管理系統(tǒng)（Battery Management System, BMS）作為汽車動(dòng)力電池的管理中樞，其對(duì)動(dòng)力電池性能的有效利用以及電池的生命周期有著十分重要的作用。動(dòng)力電池組的能量均衡是BMS的最為核心的功能之一。

目前，主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡是動(dòng)力電池組能量的兩種主要均衡方式[1]。被動(dòng)均衡對(duì)大多數(shù)通過(guò)并聯(lián)電阻的方式將能量較高的電池進(jìn)行能量耗散，但是其對(duì)BMS的計(jì)算要求較小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且易于控制，進(jìn)而得到了廣泛的應(yīng)用[2]。但是，這樣的均衡方式不僅對(duì)電池的能量進(jìn)行了浪費(fèi)，而且在均衡的過(guò)程中電阻發(fā)熱會(huì)對(duì)電池的熱管理造成困擾[3]。而對(duì)主動(dòng)均衡而言，更多的是對(duì)電池的電量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。于文斌等人設(shè)計(jì)了一款基于返激同步整流技術(shù)的均衡裝置并進(jìn)行了相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)，能夠應(yīng)用于光伏發(fā)電的電池儲(chǔ)能均衡場(chǎng)所[4]。徐順剛等人在深入研究動(dòng)力電池均衡電路的基礎(chǔ)上，提出了一種由電壓為均衡參數(shù)的能夠?qū)崿F(xiàn)在快速充電過(guò)程中進(jìn)行電池能量均衡的均衡策略[5]。SRIKANTHAN等人以工作電壓作為均衡變量，圍繞各電池工作電壓的一致性設(shè)計(jì)了相應(yīng)的均衡管理策略，獲得了較好的均衡效果[6]。UNO等人設(shè)計(jì)了一種均衡電路，能夠很好地保持電池間電壓的一致性[7]。鑒于主動(dòng)均衡對(duì)動(dòng)力電池組的作用十分重要，本文設(shè)計(jì)了一種多層能量轉(zhuǎn)移型均衡策略，并通過(guò)仿真驗(yàn)證了其可行性。

1 均衡的整體架構(gòu)

電動(dòng)汽車的工作安全很重要的一個(gè)部分便是動(dòng)力電池的安全，而這一部分主要是電動(dòng)汽車的BMS負(fù)責(zé)。在電動(dòng)汽車的行駛過(guò)程中，電池會(huì)隨著工況的突然變化產(chǎn)生過(guò)沖或者過(guò)放電的情況。很多電池的使用壽命的降低以及電池組能量不一致的原因就來(lái)源于此[8]。電池的不一致性會(huì)大大降低電池的續(xù)航里程，目前大多數(shù)動(dòng)力電池應(yīng)用的都是采用被動(dòng)均衡方式，采用一種主動(dòng)均衡方式對(duì)電池進(jìn)行均衡管理有利于大大加強(qiáng)動(dòng)力電池的續(xù)航里程。

能量轉(zhuǎn)移型均衡系統(tǒng)因其研究熱度的影響發(fā)展方向較為多樣，但總體上其特點(diǎn)為在能量不一致的電池之間設(shè)置儲(chǔ)能裝置，通過(guò)儲(chǔ)能裝置將電量較高電池的電量進(jìn)行儲(chǔ)存并釋放給電量較低的電池。這種均衡方式所涉及的儲(chǔ)能元件主要有電容、電感、變壓器等。電容型和電感型的原理相似，更多的是儲(chǔ)能元件的不同，且都能以簡(jiǎn)單的控制方式實(shí)現(xiàn)相鄰電池間的電量平衡[9]。而變壓器型的均衡效率較高，但是其體積較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且均衡成本較高，所以一般在小功率電池組中不予采用[10]。本文將控制方式難易、成本的高低以及體積和安全性進(jìn)行綜合考慮，采用電感為儲(chǔ)能元件，設(shè)計(jì)一種多層的均衡裝置。這里以八個(gè)電池模組為例，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 八電池多層均衡裝置總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖1中，第一層均衡系統(tǒng)將相鄰的兩個(gè)電池通過(guò)均衡單元進(jìn)行電量的均衡，而更高層則將上一層的均衡單元所均衡的電池作為一個(gè)整體進(jìn)行電量的轉(zhuǎn)移。圖2為傳統(tǒng)電感主動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)，其只能將相鄰兩個(gè)電池的電量進(jìn)行均衡。若要實(shí)現(xiàn)不相鄰電池的電量均衡，其只能在電池之間逐漸傳遞。而多層均衡裝置將第一層相鄰電池進(jìn)行電量的轉(zhuǎn)移，在更高層則將之前一層的均衡單元所控制的電池視為一個(gè)整體進(jìn)行電量的總體轉(zhuǎn)移。這樣可以間接實(shí)現(xiàn)不相鄰電池之間電量的轉(zhuǎn)移。

圖2 傳統(tǒng)八電池均衡裝置總體結(jié)構(gòu)拓?fù)?/p>

2 工作原理及均衡參數(shù)分析

2.1 工作原理

所設(shè)計(jì)的均衡電路主要有電池模塊、電感、電阻、二極管、場(chǎng)效應(yīng)（Metal-Oxide-Semiconductor,MOS）管等組成。其單元均衡電路如圖3所示。圖中電感L1為儲(chǔ)能元件，為電池B1和B2之間電量平衡時(shí)儲(chǔ)存高電量電池釋放的能量，二極管D1和D2則會(huì)保護(hù)電路的安全。電阻R1為消磁電阻，消除電感中所殘留的磁能，能保護(hù)電感防止其發(fā)生磁飽和。

圖3 單元均衡電路

當(dāng)電池B1的SOC高于電池B2時(shí)，MOS管M1導(dǎo)通，電池B1多余的電量會(huì)逐步轉(zhuǎn)移到電感L中，而根據(jù)外部信號(hào)的控制會(huì)在適宜的時(shí)機(jī)斷開M1。此時(shí)，電池B2會(huì)和電感形成回路對(duì)電池B2進(jìn)行充電。當(dāng)電感的電壓隨時(shí)間減小到小于電池和二極管導(dǎo)通的電壓時(shí)，電池 B2的充電階段結(jié)束。

2.2 均衡參數(shù)分析

當(dāng)MOS管接收到高電平時(shí)，M1會(huì)導(dǎo)通，形成一次RL回路，可得

式中，VB1為電池B1的電壓；L為電感值；Ron為M1導(dǎo)通時(shí)電路的總電阻；ton為M1的導(dǎo)通時(shí)間。由式（1）可得

由式（2）可知，當(dāng)t=ton時(shí)，電流能夠達(dá)到最大值：

當(dāng)M1斷開時(shí)，電感給電池B2充電，此時(shí)：

式中，Roff為M1斷開后回路的電阻總值。由式（2）和式（4）可以看出，在電池 B1放電和電池 B2充電的過(guò)程中，電路之中的電流的變化形式皆為指數(shù)函數(shù)。

因?yàn)樵诔浞烹娺^(guò)程中，Ron和Roff的值非常小，所以可以忽略不計(jì)，對(duì)式（2）和式（4）進(jìn)行泰勒展開可得

而在此過(guò)程中電感所儲(chǔ)存的能量為

為了在這一過(guò)程中防止電感發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，保證電感從高電量處得到的電量能夠充分得到釋放，則有

令開關(guān)的周期為T，則有toff＜T，此時(shí)有

則對(duì)占空比D為

對(duì)于整個(gè)回路而言，電池采用常見 18650型號(hào)電池，其額定電壓為3.7 V，且支持2C的倍率進(jìn)行充放電，所以imax=5 A。根據(jù)電感能夠承載得到最大電流與電感之間的關(guān)系，選定電感L為1 H。設(shè)定MOS管的導(dǎo)通電阻為170 mΩ，消磁電阻R1為10 kΩ，而連接各元器件的導(dǎo)線的電阻可忽略不計(jì)。將電池的額定電壓代入式（3）可得M1的閉合時(shí)間為t=1.96 s，取控制信號(hào)的振幅為1，周期為4 s，則可得占空比約為50%。

3 均衡控制方案及總體模型設(shè)計(jì)

3.1 均衡控制方案

均衡變量的選取是制定均衡策略的重要一環(huán)。常見的均衡變量為電壓和電池的荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）。電壓是一個(gè)電池組最容易獲取且十分重要的參數(shù)，而電池的開路電壓只存在于電池組不進(jìn)行工作即電動(dòng)汽車擱置時(shí)。而工作電壓雖然會(huì)在電池工作時(shí)不斷變化，但是其易于采集、精度較高，是不錯(cuò)的均衡變量。電池的SOC可以表征電池在工作狀態(tài)的剩余電量，其表示方式便于直觀展示電池目前的電量狀態(tài)。此外據(jù)研究表明，以電池的SOC作為均衡變量會(huì)提高均衡更具有效率[11]。本文的第一層均衡系統(tǒng)將電池的SOC作為均衡變量，使其在進(jìn)行最大基數(shù)的均衡時(shí)更具有效率。而在更高層的均衡系統(tǒng)中，由于電池的SOC不能直觀地展現(xiàn)，將該均衡單元所管控的下層均衡單元所管理的電池的電壓之和作為均衡變量。

總體的電池均衡控制策略為在電池工作時(shí)讀取各電池的 SOC，當(dāng)同屬于一個(gè)第一層均衡單元的兩個(gè)電池的SOC有偏差時(shí)，第一層電池均衡單元會(huì)通過(guò)MOS管控制高SOC電池放電并儲(chǔ)存到電感之中，同時(shí)將電感存儲(chǔ)的電量充入低SOC的電池之中，直至電池的SOC相同便會(huì)結(jié)束第一層均衡。與此同時(shí)，高層的均衡單元會(huì)將比其低一層的均衡單元所控制的電池的電壓進(jìn)行加和，從而判斷低層均衡單元的總體電量水平。之后，會(huì)像低層控制單元一樣通過(guò) MOS管進(jìn)行電能的釋放和充入。這樣一來(lái)，就借由高層均衡單元實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)電感型均衡的所不能實(shí)現(xiàn)的相隔電池之間的電量平衡。而當(dāng)每一組電池的電壓幾近相同時(shí)，便會(huì)結(jié)束這一層均衡。計(jì)總均衡層數(shù)為n，由于本文以八個(gè)電池作為實(shí)例，所以在仿真中n=3。

3.2 總體模型設(shè)計(jì)

本次仿真以八個(gè)串聯(lián)的電池為例，仿真過(guò)程之中第一層均衡以電池的SOC作為均衡變量，高層的均衡以其所控制的低層均衡電池的電壓之和為均衡變量。

采樣間隔為0.1 s，最終以八個(gè)電池的SOC輸出作為電池能量均衡結(jié)果的展示，每個(gè)電池的初始SOC依次為90%、70%、60%、80%、75%、95%、85%、65%。

在本次仿真中，電流源將提供5 A電流充電、靜置和5 A電流放電三種工況。每種工況下八個(gè)電池模型的SOC隨時(shí)間變化曲線將直觀體現(xiàn)均衡的結(jié)果。

4 仿真結(jié)果與分析

圖4為5 A充電工況下各電池SOC隨時(shí)間變化的圖像。在充電初期，由于第一層均衡原件的影響，SOC較高的電池由于要將多出的電能釋放而使得SOC增長(zhǎng)相對(duì)較慢。而SOC較低的電池由于得到電感所儲(chǔ)存的電能使得 SOC增長(zhǎng)速率較快。當(dāng)同一均衡元件所控制的兩個(gè)電池的SOC曲線相交時(shí)，第一層均衡結(jié)束。電池將分為四組，在第二層和第三層均衡的影響下SOC逐步升高且趨于一致。當(dāng)有一組電池的 SOC為 100%時(shí)，該組電池已經(jīng)充滿。此時(shí)，其他組的最小SOC也已經(jīng)超過(guò) 90%，均衡效果顯著。這樣，其他組與該組的電壓差距會(huì)變小，整體模組的充電會(huì)變慢。

圖4 以5A充電工況下電池組SOC隨時(shí)間變化圖

圖5為靜置工況下電池SOC隨時(shí)間變化的圖像。在靜置情況下，第一層均衡效果明顯，使其管控下的兩電池SOC快速趨于一致。當(dāng)?shù)谝粚泳饨Y(jié)束后，電池組整體在高層均衡的調(diào)控下 SOC逐漸靠攏。

圖5 靜置工況下電池組SOC隨時(shí)間變化圖

圖6為5 A放電工況下的SOC變化圖。其中電量較多的電池在多層均衡的影響下會(huì)釋放掉更多的電能，而電量較少的電池則因?yàn)榈玫礁唠娏侩姵厮尫诺哪芰慷沟肧OC下降較慢。在第一層均衡結(jié)束后，各電池的SOC變化會(huì)相對(duì)變緩且逐步趨于一致，直至完全放電。

圖6 以5A放電工況下電池組SOC隨時(shí)間變化圖

由圖4—圖6可知，多層均衡策略在充電、靜置、放電的工況下都能進(jìn)行有效的電能轉(zhuǎn)移，進(jìn)而保證電池組電量的一致性，在SOC差距較大的情況下仍然能夠進(jìn)行電池之間的電量均衡。

5 結(jié)論

本文在傳統(tǒng)電池電感均衡系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，提出了一種多層式電感能量均衡方案。通過(guò)以八個(gè)串聯(lián)電池為例搭建了該主動(dòng)均衡模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證了其在充電、靜置、放電三種工況下的有效性，證明其具有一定的正確性和可行性。