動(dòng)力電池均衡控制變量研究

吳銳

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，重慶400074）

主題詞：動(dòng)力電池 不一致性 均衡控制 均衡變量

0 引言

隨著電動(dòng)汽車迅速發(fā)展，作為電動(dòng)汽車中使用最廣泛的動(dòng)力電池—鋰離子電池成為汽車領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，得到越來越多的關(guān)注[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，電池外電壓的不同、極化電壓變化不一致、直流內(nèi)阻的大小和荷電狀態(tài)SOC（Stateof charge）不相等給電池組工作造成了很大的影響，是制約電動(dòng)汽車未來發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。均衡控制就是將電池組的不一致程度降到最小，避免各單體電池過充過放，使電池工作更高效。在電池均衡控制研究中，研究人員對(duì)均衡控制變量的選擇各不相同，均衡變量是通過控制電路均衡后能夠達(dá)到一致的電池參數(shù)，選取的原則為可表征電池不一致性、測(cè)量方便、且具有較高的精度[3]。不同的電池參數(shù)作為均衡變量對(duì)應(yīng)的均衡控制方法有所不同，最終的均衡效果也存在很大的差異[4]。在對(duì)電池的不一致性分析和各變量的討論后，提出更加合理的均衡控制策略，提高均衡效率、減小均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，為電池組的高效均衡提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，使純電動(dòng)汽車大容量電池的在線均衡成為可能。

1 不一致性分析

動(dòng)力電池組的不一致性主要由初始狀態(tài)和性能衰退速度2個(gè)方面造成的[5]。在電池的生產(chǎn)過程中，有很多工藝流程，每一環(huán)節(jié)的微小變化累積起來都會(huì)對(duì)電池初始性能帶來很大的影響。

在使用過程中各電池的環(huán)境溫度，通風(fēng)條件的不同會(huì)影響電池的散熱性能，在同一電池組中不同的溫度采集點(diǎn)得到的溫度差最高可達(dá)10℃，這會(huì)導(dǎo)致電池性能以不同的速度衰退，長(zhǎng)期如此，電池之間不一致性將會(huì)越來越大。

電池生產(chǎn)、使用和儲(chǔ)存的不同會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)阻存在差異性，出現(xiàn)不同程度的自放電現(xiàn)象，從而影響放電深度，使不一致性加劇。

在電池組中，初始容量不同時(shí)，小容量并且內(nèi)阻大的單體就會(huì)出現(xiàn)過度充放電的現(xiàn)象，在相同的充放電參數(shù)下，該電池的衰減將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過組內(nèi)其它單體，經(jīng)過多次充放電循環(huán)，整體電池組的性能將加速衰退。

電池的初始性能和后期使用環(huán)境的不同將導(dǎo)致電池的充放電倍率、工作電壓、內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度和狀態(tài)都存在差異性[6]。

電池之間的不一致性參數(shù)在實(shí)際的工作中并不是相互獨(dú)立的，各因素之間的相互耦合性，最終導(dǎo)致了不一致擴(kuò)大的正反饋效應(yīng)。

2 不一致性影響

2.1 電池容量

電池B1和B2初始容量均為100 A·h，測(cè)得B1充電效率為99.9%，B1充電效率為99.8%，兩者相差0.1%，經(jīng)循環(huán)試驗(yàn)后得到結(jié)果如下：

經(jīng)過100次循環(huán)后：

經(jīng)過200次循環(huán)后：

僅0.1%的差距，經(jīng)過多次充電循環(huán)后，容量就出現(xiàn)了巨大的變化。在充電時(shí)，小容量電池最先充滿，從而限制了電池組的充電容量，放電時(shí)此電池電量最先放完，而電池組中其他電池的電量還未被充分利用。

2.2 輸入輸出功率

在充電過程中，電池組中SOC偏高會(huì)使充電電流下降，這使得充電時(shí)間增加，導(dǎo)致其他電池未充滿現(xiàn)象出現(xiàn)；放電過程中，為了防止過放電，SOC較低的電池首先放完電，這就限制了整組電池的輸出功率，明顯降低了車輛的動(dòng)力性和電池組的使用效率。

2.3 電池組狀態(tài)估算

車輛在運(yùn)行過程中，呈現(xiàn)給駕駛者的是電池組的剩余荷電狀態(tài)SOC，如果每個(gè)單體之間存在較大的容量和SOC差異時(shí)，電池組的SOC和SOE估算非常復(fù)雜，并且難以保障估算準(zhǔn)確性，這會(huì)傳遞錯(cuò)誤信息，降低駕駛安全性和體驗(yàn)感。

電池的不一致性對(duì)其性能造成了很大的影響，所以需要對(duì)均衡參數(shù)分析對(duì)比并據(jù)此進(jìn)行均衡，使電池組內(nèi)容量、能量充分利用。

3 電池均衡

電池的均衡就是在電池組運(yùn)行過程中通過傳感器采集均衡變量的信息，判斷電池狀態(tài)參數(shù)的不一致性，通過系統(tǒng)中的均衡策略對(duì)各單體電池進(jìn)行能量均衡，對(duì)能量較高的電池進(jìn)行耗能，對(duì)能量較低的電池補(bǔ)充能量，或者通過控制電路將高出的能量轉(zhuǎn)至能量低的電池中，使電池組整體狀態(tài)參數(shù)保持較高的一致性[7]，均衡過程如圖1所示[8]。

圖1 均衡電路結(jié)構(gòu)[8]

4 均衡變量的選取

均衡變量即判斷電池組狀態(tài)是否一致的特征參數(shù)，主要有開路電壓、工作電壓、SOC和剩余可用容量、最大可用能量。通過均衡系統(tǒng)使變量參數(shù)不一致程度達(dá)到最小，甚至消除。

4.1 開路電壓作為均衡變量

圖2 電池電壓分布

在最開始對(duì)均衡控制的研究中，大多數(shù)都是采用基于單體電池開路電壓的均衡。吉林大學(xué)汽車仿真與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，Zhang[9]等人利用電池之間的開路電壓的差異來衡量電池組的一致性，在分析各單體電池開路電壓范圍和分布情況后制定均衡策略。通常情況下，電池組中開路電壓呈現(xiàn)正態(tài)分布[10-11]，如圖2所示。

在充放電過程中以開路電壓作為均衡變量，首先計(jì)算出平均電壓，如式（1）：

再計(jì)算電壓極差，電壓極差可以反映電池組一致性情況，如式（2）。

根據(jù)電壓極差的大小確定均衡控制區(qū)間△U，如圖3所示，其中0＜△U＜r，進(jìn)行高放低充，使電池組電壓趨于一致，避免了對(duì)單體電池頻繁均衡。根據(jù)計(jì)算電壓方差，如式（3）：

圖3 確定均衡控制帶

可以檢測(cè)均衡效果。電壓方差越小說明電壓分布的分散度越小，均勻度越好，均衡效果越明顯?；陂_路電壓的均衡判斷過程如圖4所示。

以開路電壓作為變量的均衡控制實(shí)施起來簡(jiǎn)單，只需要測(cè)量電池的開路電壓，確立均衡控制區(qū)間，通過判斷測(cè)得電壓與控制帶之間的關(guān)系就能完成均衡過程。電池的開路電壓易于測(cè)量，而且與電池SOC之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]。當(dāng)開路電壓通過均衡達(dá)到一致時(shí)，SOC也會(huì)基本保持一致，通過定義可知SOC是最能表現(xiàn)電池容量的參數(shù)，這就使得電池容量能夠被充分利用，避免了過充過放。當(dāng)電池處于靜置狀態(tài)時(shí)，選擇開路電壓作為均衡變量能夠達(dá)到高精度的均衡結(jié)果。

圖4 均衡判斷流程

但是基于開路電壓的均衡控制存在一定的缺陷，容易受到電池本身參數(shù)和其他外部因素的影響。如B1，B2內(nèi)阻不同，充電時(shí)u1＞u2，需對(duì)B2充電；放電時(shí)u1＜u2，需對(duì)B2放電。均衡對(duì)象在不斷的變化，但并沒有調(diào)整各電池狀態(tài)，沒有效果且增加了均衡系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。開路電壓只能在非運(yùn)行狀態(tài)下獲取，所以不能實(shí)時(shí)在線均衡，降低了均衡效率。電池開路電壓具有非常小的變化區(qū)間，通常只有幾毫伏，故對(duì)均衡采集精度要求很高。開路電壓與SOC對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系會(huì)因?yàn)殡姵匦吞?hào)和廠商的不同有所區(qū)別，如果電池組中所有單體電池不是同一類型，同一型號(hào)，則需要OCV-SOC關(guān)系重新標(biāo)定，帶來的誤差將會(huì)更大。

4.2 工作電壓作為均衡變量

工作電壓即電池輸出電流時(shí)正負(fù)極的電位差。東京理科大學(xué)的Daiki Satou和Nobukazu Hosh[13]將工作電壓作為均衡變量，獲取工作電壓可以直接測(cè)量，相比較開路電壓，工作電壓具有更大的變化區(qū)間，這樣采集電路的精度要求就沒那么高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在電池組充放電過程中，通常是將工作電壓作為充放電截止電壓，這樣通過均衡控制，就能很好的保證不會(huì)過度充放電，并且能夠最大程度利用電池組容量。當(dāng)組中電池老化程度不一致時(shí)，對(duì)于那些老化程度較大，且內(nèi)阻較大的單體，用工作電壓進(jìn)行均衡，可以在未完全放電的時(shí)候使電池SOC變化比其他單體小，這樣防止電池濫用，延長(zhǎng)了使用壽命。開路電壓可以實(shí)時(shí)采集，這樣就能實(shí)現(xiàn)在線均衡，提高均衡效率。

工作電壓作為均衡變量的缺陷也很明顯。由于車輛運(yùn)行過程中工況很復(fù)雜，所以可能瞬時(shí)高倍率放電，也有可能瞬時(shí)停止供電，這樣在電路中電流出現(xiàn)較大的波動(dòng)，從而引起工作電壓變化起伏很大，此時(shí)均衡系統(tǒng)會(huì)因?yàn)殡妷旱牟▌?dòng)而頻繁的開啟關(guān)閉，損耗巨大[14]。這就要求均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理化，智能化，具有較強(qiáng)的均衡能力。工作電壓與SOC不具備較好的一致性，當(dāng)電池的SOC處于較高或者較低時(shí)，工作電壓變化很大，需要較高的均衡能力和效率；電池SOC處于中間階段時(shí)，工作電壓變化較小，需要高精度的采集系統(tǒng)，給均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來很大的困難。

4.3 SOC作為均衡變量

SOC即電池荷電狀態(tài)。SOC作為最接近電池容量的參數(shù)，使得均衡電路具有更高的效率。

對(duì)電池組內(nèi)每一個(gè)單體進(jìn)行SOC識(shí)別，計(jì)算平均SOC，以平均SOC為目標(biāo)，同時(shí)確立均衡控制區(qū)間ΔSOC，在區(qū)間內(nèi)不均衡，高于或低于區(qū)間的需放、充電，這樣可以提高均衡效率，充分發(fā)揮了充放電均衡優(yōu)勢(shì)。

Yuang-Shung[15]和韓國全北國立大學(xué)的Novie Ayub Windarko[16]選擇SOC作為均衡變量，這樣只需識(shí)別電池的SOC，無需識(shí)別最大可用容量和所需均衡電池的位置。在充放電過程中，同時(shí)讓單體電池達(dá)到截止電壓，容量利用率高，且避免了不一致對(duì)電池組狀態(tài)識(shí)別的影響。所有的單體電池均衡過后SOC保持一致，故單體SOC就可看作整個(gè)電池組的SOC。通過均衡保持SOC保持一致，就是保證了所有電池放電狀態(tài)時(shí)相同的，放電深度一致，這樣就能避免各單體的老化速度存在差異。

基于SOC的均衡控制策略最大的問題就是如何做到高精度、高效率的實(shí)時(shí)估算[17]。精度高的估算方法效率低，需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，模糊控制法等，計(jì)算量小的精度達(dá)不到要求，帶來較大的估算誤差，如安時(shí)法，開路電壓法。在開始進(jìn)行充電時(shí)，SOC值比較接近，差異性較小，此時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別，并進(jìn)行均衡。如果到了充放電中期，SOC差異性較大，對(duì)均衡能力要求就會(huì)更高。

此外，電池老化情況不同時(shí)，SOC經(jīng)過均衡達(dá)到一致后，繼續(xù)充放電，SOC的變化又會(huì)出現(xiàn)快慢的情況，需要再次啟動(dòng)均衡系統(tǒng)，開啟頻繁，損耗大。

4.4 剩余可用容量作為均衡變量

電池組的剩余可用容量始終小于或者等于組內(nèi)最小容量電池的剩余可用容量[18]，所以均衡目標(biāo)就是使電池組的可用容量等于組內(nèi)最小容量電池的剩余可用容量[19]。

與SOC作為均衡變量不同的是，SOC經(jīng)過均衡后，在面對(duì)老化程度不一致的電池時(shí)，繼續(xù)充放電，又會(huì)出現(xiàn)不一致現(xiàn)象。而剩余可用容量作為均衡變量后，所有電池的容量都保持一致，不會(huì)再出現(xiàn)容量差異的現(xiàn)象，而且不會(huì)對(duì)某一電池進(jìn)行過度放電，容量小的電池也不會(huì)成為電池組中的“短板”。

剩余可用容量受到各單體容量不同和容量衰減問題的影響在線估算存在較大的難度，無法做到實(shí)時(shí)在線均衡。且目前的估算方法達(dá)不到較高的精度，估算誤差會(huì)使均衡效果不好。

4.5 最大可用能量作為均衡變量

為了實(shí)現(xiàn)電池組存儲(chǔ)的能量最大化，均衡的作用就不僅僅是將容量最小的電池滿充滿放，將電池容量充分利用，而且還要將組內(nèi)全部電池充滿電，將存儲(chǔ)的能量達(dá)到最大化[20]，如下電池容量所示[21]。

電池組最大充電容量85 A·h，充電結(jié)束，電池1剛好充滿，電池2和電池3則需要均衡充電，電池1均衡容量為5 A·h，電池2均衡容量為10 A·h。利用電池組最大可用能量為均衡變量時(shí)，電池組最大可用容量也實(shí)現(xiàn)最大化，達(dá)到90 A·h，且所有電池都充滿電，電池組的能量實(shí)現(xiàn)了最大化。利用最大可用能量均衡具有較好的穩(wěn)定性，其評(píng)價(jià)結(jié)論并不隨電池荷電狀態(tài)和工作電流的變化而變化，可有效地防止均衡對(duì)象發(fā)生變化。

電池組的最大可用能量和電池的最大可用容量和SOC相關(guān)，所以存在相同的問題，即難以準(zhǔn)確估算和實(shí)時(shí)在線測(cè)定。對(duì)常見的5種均衡變量進(jìn)行分析對(duì)比，得到結(jié)果如表1。

表1 均衡變量對(duì)比

5 結(jié)束語

均衡變量的選取對(duì)均衡效果有很大的影響，通過對(duì)5種變量的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單一的變量都存在很明顯的缺陷，所以基于一個(gè)變量的均衡策略無法達(dá)到令人滿意的均衡效果。在后續(xù)對(duì)均衡控制的研究中：

（1）應(yīng)該對(duì)現(xiàn)在的均衡策略進(jìn)行優(yōu)化；

（2）更重要的是將均衡變量結(jié)合，進(jìn)行多變量混合均衡控制,這樣可以避免單變量不穩(wěn)定帶來的影響；

（3）也可以對(duì)其進(jìn)行分時(shí)段均衡，利用不同均衡策略適用的工況分為靜置、充電和放電。充分發(fā)揮各種策略的優(yōu)勢(shì)，使得均衡效果達(dá)到最好。