動力電池均衡控制邏輯分析及應(yīng)用研究

摘 要：本文通過研究電動汽車動力電池均衡系統(tǒng)的研究與設(shè)計，分析了動力電池平衡措施的應(yīng)用，動力電池均衡算法，動力電池均衡電流要求，主動與被動均衡的對比，完成串聯(lián)電池組均衡控制，可使不一致性得到改善，使用容量最大化、使用周期延長、能量利用率提升。

關(guān)鍵詞：電池管理系統(tǒng) 電池均衡 充電保護

鋰離子電池已經(jīng)成為消費類產(chǎn)品（例如手機或筆記本電腦）所用小型電池的主要選擇，并且在汽車牽引和陸基分布式儲能等大型電池應(yīng)用中，也逐漸呈現(xiàn)出取代鉛酸電池和鎳氫電池的趨勢。僅當管理得當時，鋰離子電池才能夠表現(xiàn)出比其他化學(xué)電池更加優(yōu)良的特性，因此，鋰離子電池需要配備有效的電池管理系統(tǒng)（BMS）。

雖然鋰離子單體電池性能優(yōu)異，但也不允許使其工作在嚴格安全區(qū)域之外， 否則會產(chǎn)生令人不滿意甚至危險的后果。在多數(shù)情況下，單體電池故障的后果也僅僅是電池使用壽命縮短或者電池損毀，不會發(fā)生安全事故。然而濫用鋰離子單體電池則是一件極其危險的事情，并且很容易對單體電池造成嚴重的物理損害（穿孔或破碎）和/或過熱（由過電壓、過電流或外部發(fā)熱引起）。

隨著大量新能源汽車的銷售，大量的車企出現(xiàn)，技術(shù)良莠不齊，電池出現(xiàn)各種自然現(xiàn)象，其中大部分原因是電池無法得到有效的均衡，因此需要進行電池均衡系統(tǒng)的優(yōu)化。

1 電池管理系統(tǒng)

1.1 電池管理系統(tǒng)定義

電池管理系統(tǒng)是以某種方式對電池進行管理和控制的產(chǎn)品或技術(shù)。也就是說電池管理系統(tǒng)包含如下功能：

（1）電池保護；（2）電池狀態(tài)估計；（3）電池性能最大化；（4）對用戶或外部設(shè)備進行反饋。

1.2 鋰離子電池管理系統(tǒng)的功能

電池管理系統(tǒng)在鋰離子電池充電過程中十分必要。當任意一個單體電池達到最大充電電壓時，電池管理系統(tǒng)必須關(guān)斷充電器。電池管理系統(tǒng)可以通過均衡電池組使其容量最大化。其中均衡方式又分為主動均衡與被動均衡，主動均衡主要是將各電池不同的電量通過DC/DC雙向有源電路實現(xiàn)，被動均衡主要消耗電量達到要求。電池管理系統(tǒng)在鋰離子電池充電過程中十分必要。

2 動力電池均衡研究

2.1 電池均衡

由于單體電池間差異以及不同的充電歷史，電池中的單體電池一般會產(chǎn)生以下4種不一致性：荷電狀態(tài)（SOC）、自放電（自放電電流）、內(nèi)阻、容量。一般情況下，電池內(nèi)部單體電池的一致性可以根據(jù)以上4個參數(shù)的匹配情況來衡量。電池均衡是指將單體電池間的SOC盡可能地拉近，從而使電池容量最大化。電池均衡僅強調(diào)一個重點，即SOC一致性。為此還會對第二個參數(shù)“自放電” 進行補償。電池均衡工作可能還會在一定程度上受到第三個參數(shù)“單體電池內(nèi)阻”的阻礙。電池均衡工作中并未考慮的是第4個參數(shù)——容量。

2.2 動力電池平衡措施的應(yīng)用

在保證單體電池不會過充的前提下，留出更多的可充電空間。平衡程序使得所有單體電池都有相同的荷電狀態(tài)（SOC）。由電池管理系統(tǒng)（BMS）實施，平衡可以為主動方式（能量傳遞于單體之間）或被動方式（能量通過釋放熱能而有所損失）。如果不加平衡，因流經(jīng)電池組所有串聯(lián)單體（或并聯(lián)模塊）的電流相同，所以放電深度（DOD）的變化也在同一速率。BMS通過對具有不同于電池組電流值的單體或模塊處理來平衡電池組，方式有以下幾種：

（1）從充電最多的單體電池中取電，為充電電流留出空間，使其他單體電池充電更加充分。

（2）旁路一些或所有的充電較充分單體電池的充電電流，使得充電電流可以進一步對其他單體電池進行充電。

（3）使得充裕電流對充電最少的單體電池充電。

2.3 動力電池均衡算法

（1）基于電壓法，基于電壓的均衡算法最簡單，該方法要求相同電壓的單體電池具有同樣的S0C，但只有在僅關(guān)注開路電壓時這才是對的，而開路電壓和端電壓通常不同。具體算法：充電時，將電荷從電壓值最高的單體轉(zhuǎn)移走。這種方法的問題在于，由于電池內(nèi)阻引起的電壓降，而導(dǎo)致充電時的端電壓比內(nèi)部電壓要高，而不同單體電池的內(nèi)阻不盡相同。即使所有單體電池端電壓在充電期間都相同，其等效開路電壓也將不同（由于內(nèi)阻不同），因此導(dǎo)致SOC水平不同。

這種算法的局限性是可以克服的。如果BMS能獲取每個單體電池的內(nèi)阻值，則可以通過電流與電阻的乘積計算電壓降，繼而與端電壓做差計算開路電壓。BMS可以分時段地停止充電，允許單體電池端電壓降至開路電壓，并直接測量開路電壓。

（2）基于末時電壓法，基于末時電壓的均衡方法是最常用的算法。算法運行效果良好但是比較耗費時間。該方法與上述基于電壓的方法類似，不同的是該方法不是工作于全過程，而是只工作在充電末期（在頂端）。該算法為：當某單體電池電壓超過門檻值時減少其能量，這種方式的優(yōu)勢在于能夠避免電壓-SOC曲線中段的平臺期，在平臺期內(nèi)電壓無法作為辨識SOC的參數(shù)，而在充電末端電壓對SOC的影響較為顯著。末時電壓算法的問題在于當單體電池電壓很高時，留給啟動均衡措施的時間不多。例如，電動汽車每天只有2h的充電時間，留給均衡措施的時間只是充電末尾的10min。解決此問題的方法是通過采用大電流進行均衡以縮短操作時間。末時電壓算法的另一個問題是每個單體電池的端電壓都比開路電壓高，這是由于內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓降。所以，該方法由于是令內(nèi)阻最高的單體電池放電，而不是SOC水平最高的單體電池放電而可能造成適得其反，從而增加了不平衡度。以下幾種方案可以解決其局限性：

①如果BMS掌握每個單體電池的電阻信息，則可以計算其開路電壓（計算 IR電壓降），繼而估算SOC。

②BMS在均衡時可以停止充電，這樣將不再存在由于單體內(nèi)阻不同而引起的IR電壓降所導(dǎo)致的誤差，而只需考慮單體自身電壓。

③BMS可以控制充電器減少充電電流，以減小這些誤差。

④BMS能夠每幾分鐘開/關(guān)充電器，代價則是短時全額充電電流穿插了長時間的零電流，使得均衡措施不受這些誤差影響[例如，10A充電電流，占空比為1：100 （例如打開10s，關(guān)閉1000s）平均值為100mA， 99%的時間都處于無誤差的平衡中]。

（3）基于SOC歷史情況，這是最復(fù)雜的平滑算法。其效果較好，但需要借助計算機系統(tǒng)，因為它需要知道每個單體電池的SOC歷史數(shù)據(jù)，繼而計算每個單體電池的平衡時間需要多長。

相較于前面的兩種方法，該方法具有所有優(yōu)點，幾乎沒有局限性?；诒ＷC所有時段都能平衡，在給定均衡電流的情況下，這種方法比末時電壓法計算速度快。反之，在給定最大平衡時間時，可以以較小的均衡電流運行。較之于末時電壓法，這種方法可以提升平均均衡電流，經(jīng)驗值是1～5倍。除此之外，BMS的硬件需承受更大的均衡電流。

以每天行駛4h，夜間充電12h（充電8h，末端電壓法均衡4h）的電動汽車為例。假設(shè)BMS能夠以100mA進行均衡。而后，平衡電流變?yōu)?00mA/（4h/ 24h）=17mA。如果電池需要10mA的平均均衡電流，BMS將會維持電池平衡。然而，如果電池需要50mA的平均均衡電流，BMS將達不到要求。一種提高均衡電流的方式是提高BMS的最大允許電流（例如，100mA提高至1A）。另一種方式是提高平衡的允許時間。如果BMS使用SOC歷史情況算法來獲得單體需要平衡的時間，則可以在任意時段對其進行平衡（概算例中是16h），平均值是 100mA/（16h/24h）=67mA，這個數(shù)值是足夠的。

2.4 動力電池均衡電流要求

總體均衡：對制造過程中出現(xiàn)電量不一致的單體電池或電池信息采集器（BIC）均衡功能失效的電池模組進行均衡；維護均衡：對動力電池組內(nèi)單體電池間的電量進行均衡。電池組在開始即應(yīng)該能夠均衡，這樣一來BMS就不必提供內(nèi)部的總體平衡。這一點通過以下兩點即可實現(xiàn)：

（1）制造之前的均衡：從滿充的單體電池開始。

（2）制造之后的均衡：當電池組開放時，利用電源充滿每一個單體電池的渠道。

那樣電池組開始均衡，并且所有BMS需要做的就是保持均衡（維護均衡）。 如果電池組已經(jīng)制造出來或者已經(jīng)修好，并且未考慮單體電池的SOC， BMS將不得不做總體均衡。

2.4.1 總體均衡

如果BMS在合理的時間內(nèi)可以對大電池組進行總體均衡，它將使用相對較高的均衡電流。對完全失去平衡的電池組進行總體均衡的最長時間 取決于其容量，以及BMS能夠提供的均衡電流，即總體均衡時間=電池組容量/均衡電流。

2.4.2 維護均衡

如果電池開始均衡，保持平衡狀態(tài)比總體均衡要簡單得多。所需要的就是補償在單體電池中的泄漏（自放電）。例如，如果所有單體電池的漏電流程度都相同，那么則無須均衡。所有單體電池的SOC在同一時刻相同，電池將保持平衡。

2.4.3 結(jié)論

對均衡的討論總結(jié)如下：

（1）均衡補償是針對單體電池SOC，而不是容量的不平衡（容量補償屬于再 平衡范疇的工作）。（2）對于平衡的電池可以支持最大限度地充電，只受到單體電池的最小容量限制（或者在一些極端的情況下，受限于最高單體電池電阻）。（3）電池在制造階段就應(yīng)該注意均衡問題，如此不再需要BMS進行整體平衡。（4）如果電池在制造廠內(nèi)已經(jīng)過均衡，那么BMS只需要在正常運行期間提供充裕的均衡電流來補償單體電池間不同的自放電電流即可。（5）沒有理由指定BMS在更糟的情況下提供更大的均衡電流。（6）制定BMS為不平衡的電池提供整體平衡是不經(jīng)濟的也是沒有工程意義的，因為這種情形在壽命周期內(nèi)只出現(xiàn)一次。如此設(shè)計，相比于在其壽命周期內(nèi)99%情況下出于對電池進行預(yù)平衡的工作狀態(tài)而言，BMS將變得更昂貴，更笨重，并會產(chǎn)生更多熱量。（7）對于大部分鋰離子電池應(yīng)用而言，BMS提供100mA的均衡電流已足夠，使用基于SOC歷史情況的均衡算法將增加BMS的均衡容量2～5倍。

2.5 主動與被動均衡的對比

均衡包括以下兩種：

（1）被動均衡：能量從充電相對最滿的單體電池移走，以散熱形式消耗。

（2）主動均衡：能量在單體電池間傳遞，因此不造成浪費。

被動均衡的劣勢在于：①浪費能量，消耗成本；②高均衡電流水平，能量轉(zhuǎn)換為熱并造成損耗，影響電池組的運行。

初步判斷，主動平衡更好因其不浪費能量。而事實上主動平衡也有如下缺點：①比被動均衡所需的部件更多，成本較高，可靠性稍差，占用空間更多；②在熱備用期間造成的能量損失可能比進行等效均衡耗費的能量更多。

3 動力電池均衡效益分析

針對井噴式新能源汽車蓬勃發(fā)展，部分車輛無法進行主被動均衡的情況，對電池均衡產(chǎn)業(yè)進行技術(shù)融合發(fā)展，減少因為均衡導(dǎo)致的著火現(xiàn)象。

（1）充電均衡處理（單體電壓低），放電均衡處理（單體電壓高）。

（2）設(shè)計安全提醒系統(tǒng)，主要問題在于對各種故障的識別。預(yù)計效果：充電均衡時電瓶過熱時，自動充電系統(tǒng)故障時，或其他故障時給予一定的警報提醒，見下圖。

被動均衡一般是采用電阻放電的方式，對電壓較高的電池進行放電，通過熱量的形式釋放電量。整個系統(tǒng)的電量受制于容量最少的電池。充電過程中，電池管理器有充電截止電壓來保護鋰電池，當某一串電池達到充電截止電壓值后，BMS會切斷整個回路，停止充電。如果充電時的電壓超過了這個值，也就是統(tǒng)稱的“過充”，鋰電池就有可能燃燒或者爆炸。因此，BMS一般都具備過充保護功能，來防止電池過充。

主動均衡采用DC/DC雙向有源均衡電路，均衡效率較高；充電、放電和靜態(tài)過程中都做了均衡；均衡電流大，均衡速度較快。同時存在兩大問題：一是技術(shù)復(fù)雜，成本較高，實現(xiàn)困難；二是均衡電路頻繁切換，對電池造成的傷害大，使電池的壽命受到影響。目前主動均衡電流可達到5A。

4 結(jié)束語

電池均衡系統(tǒng)能運行平穩(wěn)離不開優(yōu)秀的拓撲結(jié)構(gòu)，同樣對于優(yōu)化均衡效果，均衡策略是不可或缺的。均衡變量是均衡控制策略研究的基礎(chǔ)，是實現(xiàn)電池能量傳遞的基石，主要有電壓、容量以及荷電狀態(tài)。

目前的均衡方案大部分存在效率低、均衡精度差、效果不佳的情況，其難點因為是電池是受多要素影響的非線性個體。均衡指標不僅可以選擇電壓，還可選擇荷電狀態(tài)、容量等其他指標，均衡變量的選取是不具備唯一性的。傳統(tǒng)均衡電路開關(guān)器件多、精準控制難度較大，應(yīng)用于有較多單體的電池組時，便會出現(xiàn)擴展性差、工作時間長、可靠性低等問題。因此，如何通過優(yōu)化拓撲結(jié)構(gòu)，使用恰當?shù)目刂撇呗?，達到優(yōu)化電池組單體電池均衡的目的，是目前均衡技術(shù)急需解決的問題。

基金項目：2022年度福建省中青年教師教育科研項目立項課題《動力電池均衡控制邏輯分析及應(yīng)用研究》（課題編號JAT220805，主持人：王艷蘋）。

參考文獻：

[1]劉嘉林.電動汽車電池組被動均衡策略與SOC估算研究[D].昆明理工大學(xué)，2019.

[2]茅曉怡.鋰離子電池荷電狀態(tài)及主動均衡技術(shù)研究[D].南京郵電大學(xué)，2020.

[3]馬驍.自適應(yīng)電動汽車電池SOC估算方法及均衡技術(shù)的研究[D].南京航空航天大學(xué)，2020.

[4]王孝乾.動力電池組高效均衡系統(tǒng)研究[D].山東大學(xué)，2021.

[5]吳鐵洲，徐瑜鴻，黃一恒，李梓豪.電池組電壓-SOC分段均衡控制方法研究[J].電力電子技術(shù)，2022（07）.