汽車電池均衡管理技術(shù)分析與探究

盧欣欣　陳繼永　崔美麗

摘 要：通常純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池是由若干單體電池組合而成，每一個(gè)單體電池荷電狀態(tài)會(huì)存在一定程度的差異，而此差異會(huì)直接決定動(dòng)力電池的使用性能，因此需要對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行均衡管理。其中鋰離子動(dòng)力電池的主要研究集中在電池單體技術(shù)、熱管理技術(shù)以及能量管理技術(shù)等方面，因此BMS（電池管理系統(tǒng)）對(duì)動(dòng)力電池均衡系統(tǒng)尤為重要。本文通過對(duì)電池均衡管理系統(tǒng)進(jìn)行基本的介紹，并建立電池等效模型，為后續(xù)電池均衡模型的仿真提供理論參考，進(jìn)而為電池均衡管理提供重要的研究價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電池荷電狀態(tài) 均衡管理 新能源汽車

1 引言

純電動(dòng)車具有結(jié)構(gòu)簡單、無污染以及乘坐舒適等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于純電動(dòng)汽車而言影響最大的缺點(diǎn)之一是它的續(xù)航里程短。拿純電動(dòng)汽車與人體相比，“心臟”就是純電動(dòng)汽車中的動(dòng)力電池，它的作用就是給整車提供動(dòng)力，因此研究動(dòng)力電池有非常重要的意義。動(dòng)力電池涉及到很多行業(yè)，這已經(jīng)不單單是汽車企業(yè)所要考慮的，而是各行各業(yè)協(xié)同發(fā)展的結(jié)果。目前比較常用的幾種動(dòng)力電池有：鉛酸蓄電池、燃料電池、鎳氫電池以及鋰離子電池等。鉛酸蓄電池的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低以及運(yùn)行穩(wěn)定，但是因其體積大、質(zhì)量重以及污染環(huán)境等缺點(diǎn)，已經(jīng)逐漸被淘汰。燃料電池雖然具有無污染的優(yōu)點(diǎn)，但是目前還有很多技術(shù)問題等待解決，還沒有辦法普及。鎳氫電池具有高安全性，能量密度高的特點(diǎn)，但是在使用過程中會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象，比如高溫下充電緩慢。鋰離子電池因其比能量高、壽命長以及體積小的優(yōu)點(diǎn)，被許多電動(dòng)汽車采用。電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池，是有許許多多個(gè)單一的獨(dú)立電池所組合在一起的，所以每個(gè)單一的電池總會(huì)有著一些差異。而這些差異會(huì)影響動(dòng)力電池的整體性能，所以對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行技術(shù)上的管理是有必要的。其中鋰離子動(dòng)力電池的主要研究集中在電池單體技術(shù)、熱管理技術(shù)以及能量管理技術(shù)等方面，這顯得動(dòng)力電池的控制單元必不可少，BMS就是為此而誕生的。純電動(dòng)汽車有三大核心，動(dòng)力電池是其中之一，而動(dòng)力電池需要一個(gè)專門的管理系統(tǒng)BMS，BMS性能的好壞將對(duì)動(dòng)力電池的充放電、熱管理、能量均衡以及壽命產(chǎn)生關(guān)鍵影響?；诖?，需要對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池管理的策略進(jìn)行一些必要的研究。

2 電池管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

電池管理系統(tǒng)是在保證電池安全性的基礎(chǔ)之上充分利用電池能量的一種綜合控制系統(tǒng)，因?yàn)殡姵乇旧砭捅容^復(fù)雜，所以設(shè)計(jì)出的電池管理系統(tǒng)的功能也會(huì)較為復(fù)雜，它所具有的功能主要有電池信息監(jiān)控、電池狀態(tài)分析、電池安全保護(hù)、能量控制等，然而每個(gè)功能模塊如果細(xì)分，將會(huì)細(xì)分為很多的功能，盡管電池管理系統(tǒng)未來的趨勢(shì)將會(huì)朝著越來越多的功能發(fā)展，但是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)還是集中在信息的采集、SOC和SOH等狀態(tài)的估算、動(dòng)力電池的均衡管理以及運(yùn)行信息的監(jiān)控等方面。以下將對(duì)BMS的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行簡單的介紹。

2.1 信息的采集

電池管理系統(tǒng)最基本的功能就是采集電池的電壓、電流、溫度等基本信息，幾乎電池管理系統(tǒng)的所有功能都是建立在信息采集的基礎(chǔ)之上。所以電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何準(zhǔn)確的采集動(dòng)力電池的信息。采集信息不單單為了監(jiān)控動(dòng)力電池的此時(shí)此刻運(yùn)行狀態(tài)，還可以將這些信息上傳至電池管理系統(tǒng)控制中心，由電池管理系統(tǒng)的控制中心來選擇合適的策略并對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行科學(xué)的管理，從而使動(dòng)力電池運(yùn)行安全高效、循環(huán)使用壽命更長。

2.2 SOC和SOH的估算

動(dòng)力電池在使用過程中通常需要使用一些參數(shù)來表征其性能的好壞，SOC、SOH是比較常用的兩種數(shù)據(jù)。SOC表示的是動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)，是用來表征動(dòng)力電池的剩余電量的情況;SOH表示的是動(dòng)力電池的健康狀態(tài)，用來表征動(dòng)力電池的使用壽命情況。SOC和SOH的估算主要受動(dòng)力電池的電壓、電流、內(nèi)阻以及溫度等的影響。準(zhǔn)確的SOC和SOH的估算將會(huì)較為真實(shí)的向用戶反應(yīng)出動(dòng)力電池目前的狀態(tài)，方便用戶對(duì)動(dòng)力電池進(jìn)行及時(shí)的維護(hù)，延長了動(dòng)力電池的使用壽命，同時(shí)也會(huì)讓用戶對(duì)動(dòng)力電池的實(shí)際情況有了解，從而調(diào)整用戶的使用情況。動(dòng)力電池內(nèi)部是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，如何準(zhǔn)確確立動(dòng)力電池模型和信息采集并準(zhǔn)確估算動(dòng)力電池的SOC和SOH一直是研究人員重點(diǎn)關(guān)注的難題。

2.3 電池的熱管理

動(dòng)力電池工作的時(shí)候內(nèi)部會(huì)發(fā)生比較復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，自身的化學(xué)反應(yīng)有可能使電池溫度發(fā)生變化，加上外在的環(huán)境影響，動(dòng)力電池的溫度可能變化波動(dòng)很大。過高的溫度會(huì)加速動(dòng)力電池的內(nèi)部反應(yīng)，使電池的壽命下降，同時(shí)還可能有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。如果溫度過低，動(dòng)力電池的性能又可能降低。只有當(dāng)動(dòng)力電池的溫度在一個(gè)合理范圍內(nèi)，動(dòng)力電池的性能才會(huì)發(fā)揮的最佳，運(yùn)行更安全，壽命更長，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)動(dòng)力電池?zé)峁芾砟K，時(shí)刻的監(jiān)控管理動(dòng)力電池的溫度信息。

2.4 電池均衡管理

當(dāng)前動(dòng)力電池常見均衡方法有主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種。主動(dòng)均衡原理是電池管理系統(tǒng)根據(jù)自身判斷，將能量高的單體電池能量傳遞給能量低的單體電池，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池能量的利用最大化；被動(dòng)均衡則是通過并聯(lián)電阻消耗掉多余的能量。在應(yīng)用場(chǎng)合以及要求不高的情況下，通常采用被動(dòng)均衡的方式，因?yàn)楸粍?dòng)均衡的原理簡單，對(duì)硬件的要求也不是太高。盡管主動(dòng)均衡的效果比被動(dòng)均衡要好，同時(shí)也能最大化的將單體電池的能量利用起來，但是主動(dòng)均衡一方面要求相對(duì)復(fù)雜的硬件電路，另一方面需要相對(duì)復(fù)雜的控制算法。所以至于采取何種的均衡控制，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合以及需求來定，如圖1所示。

3 鋰離子電池參數(shù)辨識(shí)及模型驗(yàn)證

估算動(dòng)力電池的SOC、SOH一直是電池管理系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)，想要合理估算動(dòng)力電池的狀態(tài)信息，必須先從動(dòng)力電池本身研究。動(dòng)力電池內(nèi)部，化學(xué)反應(yīng)較為復(fù)雜，要想較為準(zhǔn)確的采集動(dòng)力電池的電壓、電流等信息從而估算動(dòng)力電池的狀態(tài)信息，需要建立精確的電池模型，并對(duì)所建立的電池模型參數(shù)進(jìn)行必要的辨識(shí)。鋰離子電池按照材料的不同又可以分為磷酸鐵鋰電子電池、鎳鈷錳混合鋰離子電池、以及鈦酸鋰鋰離子電池等。

錳酸鋰鋰離子：這種電池的負(fù)極是使用石墨制作的，這種電池的比能量相對(duì)來說比較低，并且運(yùn)行穩(wěn)定性以及安全性也比較低。磷酸鐵鋰離子電池：它的負(fù)極也是由石墨制作而成，這種電池?fù)碛斜容^高的容量，而且在使用期間比較穩(wěn)定、安全，目前已經(jīng)有非常廣的應(yīng)用場(chǎng)景。鎳鈷錳混合鋰離子電池：它的正極通常由鎳鈷錳制作而成，這種電池又稱三元鋰離子電池，這種電池雖然比能量比較高，但是運(yùn)行的安全穩(wěn)定性要比磷酸鐵鋰離子電池差一些，目前主要運(yùn)用在一些小型的電動(dòng)汽車上。鈦酸鋰鋰離子電池：這種電池的負(fù)極一般是由鈦酸鋰制作而成，它的優(yōu)點(diǎn)非常多，優(yōu)點(diǎn)可以說是鎳鈷錳混合鋰離子電池和磷酸鋰離子電池的綜合，可是它的缺點(diǎn)也非常的明顯，它的缺點(diǎn)主要是高溫情況下不穩(wěn)定以及使用成本高。以上是比較常見的鋰離子動(dòng)力電池的介紹，在日常使用過程中，會(huì)綜合考慮很多因素，如應(yīng)用場(chǎng)景、運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性以及成本等，從而選擇合適的動(dòng)力電池。

3.1 鋰離子電池的常見模型

動(dòng)力電池的應(yīng)用場(chǎng)景比較廣泛，加上不同的外部環(huán)境，所以電池也需要使用不同模型。電化學(xué)模型以及等效電路模型是研究較多的兩類。動(dòng)力電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)相對(duì)來說比較復(fù)雜，所以要想準(zhǔn)確描述動(dòng)力電池的化學(xué)模型比較困難，加上電化學(xué)模型的算法難度大，目前動(dòng)力電池模型的研究主要集中在等效電路模型。常見的等效電路模型如下所示：

1.Rint等效模型

如圖2所示，Rint等效模型的電路結(jié)構(gòu)較為簡單，其中U代表電源電壓，I代表電流，箭頭所示方向?yàn)檎?，R0代表電池內(nèi)部的電阻，UT為電池的開路電壓。但是動(dòng)力電池內(nèi)部的一系列反應(yīng)，是一個(gè)較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，Rint等效電路模型忽略了內(nèi)部的因素以及外部的環(huán)境影響，所以這種等效電路模型只能用來近似的滿足要求不高的應(yīng)用場(chǎng)合。

2.Thevenin等效模型

如圖3所示，把Thevenin等效模型與Rint等效模型兩者的電路圖相比較，Thevenin等效模型比Rint等效模型多了一個(gè)電容器和一個(gè)電阻。其實(shí)可以認(rèn)為這是在Rint等效模型的基礎(chǔ)上的改進(jìn)，因?yàn)镽int等效模型過于理想化，忽略了電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)。Thevenin等效電路模型可以較為準(zhǔn)確的估算動(dòng)力電池的參數(shù)，但是復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合加上環(huán)境的影響，使用該模型將會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。

通過對(duì)以上動(dòng)力電池Rint等效模型與Thevenin等效模型分析，各自都存在明顯的缺點(diǎn)，所以本文選取改進(jìn)后的二階RC等效電路模型作為研究對(duì)象，如圖4所示，二階RC等效模型中的電容器的階數(shù)是整數(shù)1，所以圖4的模型也叫整數(shù)階二階RC等效電路模型。然而有相關(guān)研究表明，動(dòng)力電池的電容器擴(kuò)散系數(shù)與分?jǐn)?shù)階有著一定的關(guān)系，并且引入分?jǐn)?shù)階可以提高電池模型的精度，所以在整數(shù)階二階RC等效電路模型的基礎(chǔ)上加入分?jǐn)?shù)階理論，并建立動(dòng)力電池的等效模型進(jìn)行研究。

3.鋰離子電池參數(shù)辨識(shí)

在選定了所用電池模型后，再進(jìn)行電池參數(shù)辨識(shí)。由于當(dāng)前創(chuàng)建的是分?jǐn)?shù)階二階RC等效電路模型，為了突顯所建模型的高精度，需要對(duì)整數(shù)階二階RC等效電路模型和分?jǐn)?shù)階二階RC等效電路模型分別進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，為后續(xù)模型精度的驗(yàn)證作提供技術(shù)參考。電池參數(shù)辨識(shí)的方法很多，常見的有遺傳算法、最小二乘法等，整數(shù)階二階RC等效模型的參數(shù)辨識(shí)使用的是最小二乘法，因?yàn)檎麛?shù)階二階RC等效模型較為簡單，采用最小二乘法計(jì)算便可獲得較高的精度，分?jǐn)?shù)階模型則采用的是自適應(yīng)遺傳算法辨識(shí)，因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)階電池模型的復(fù)雜度比整數(shù)階大，如果繼續(xù)采用最小二乘法將會(huì)產(chǎn)生較大的誤差。

4 小結(jié)

文章首先對(duì)電池管理系統(tǒng)的信息采集、均衡管理、熱管理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，研究了SOC和SOH的定義、影響因素以及估算方法。其次介紹了鋰離子電池的常見電池模型，并在普通等效模型的基礎(chǔ)上提出整數(shù)階二階RC等效模型。為后續(xù)MATLAB軟件仿真二階RC等效電路模型的估算精度提供模型參考。

國家對(duì)新能源汽車的發(fā)展支持力度加大，更多的企業(yè)開始著手發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)，用戶對(duì)電動(dòng)汽車的要求也在提高。電動(dòng)汽車的動(dòng)力來自于動(dòng)力電池，動(dòng)力電池的發(fā)展受限于電池管理系統(tǒng)的發(fā)展，只有準(zhǔn)確的估算動(dòng)力電池的狀態(tài)信息進(jìn)行并實(shí)時(shí)監(jiān)控其狀態(tài)，動(dòng)力電池的性能以及壽命才會(huì)發(fā)揮到最佳。

電池管理一直是電動(dòng)汽車的研究核心，隨著技術(shù)的更新迭代，人們對(duì)電動(dòng)汽車提出了更高的要求，電池管理系統(tǒng)仍有很大的研究空間。由于實(shí)驗(yàn)條件限制，部分場(chǎng)合下難以對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池進(jìn)行在線實(shí)際估算以及實(shí)時(shí)監(jiān)控。盡管可以通過一些數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證所提出的電池模型以及SOC和SOH估算策略具有可行性，但是還是存在數(shù)據(jù)樣本較少，希望在未來的研究中，可以使用更多的數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行仿真分析。

基金：1.江蘇省高職院校青年教師企業(yè)實(shí)踐培訓(xùn)項(xiàng)目（編號(hào)：2022QYSJ016）；2.南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究青年創(chuàng)新項(xiàng)目（JC12022090）;3.南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究面上項(xiàng)目（JC22022034/JCZ2022061）;4.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（GYKY/2021/7）；5.江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研項(xiàng)目（GYKY/2022/14）；6.江蘇工院高水平產(chǎn)教融合平臺(tái)項(xiàng)目。

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