沈百新

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

浅析电动汽车电池均衡控制技术

沈百新

（长安大学汽车学院，陕西 西安 710064）

电池是电动汽车的核心部件，电池的使用寿命影响电动汽车的发展，决定电池使用寿命的关键是控制电池的充放电均衡性。文章主要对常见电池均衡技术的发展和电池均衡技术参数的选取做了整体性论述，在对常见均衡控制技术论述的基础上给出了相对较为合理的均衡控制方法。

电动汽车；电池寿命；电池均衡控制

CLC NO.:U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-14-03

前言

电动汽车的核心部件—电池成为制约电动汽车发展的关键因素，目前电池技术的发展也逐渐成熟，电动汽车的电池在满足快速充电和续航里程方面有了很大改变。各大汽车电池厂商公布的数据显示，在较短时间内完成电池80%的充电已经可以实现，怎样解决电池的使用寿命是现在面临的主要问题。

1、汽车动力电池

动力电池是纯电动汽车能源载体，目前可用作纯电动汽车的动力电池主要包括铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池和燃料电池。

铅酸电池是目前技术最为成熟的电池类型，成本低、性能可靠，有一定耐过充能力，倍率放电性能较好，其最大的问题在重金属铅对环境污染严重，较低的质量比能量和体积比能量也限制了铅酸电池在纯电动汽车上的应用。镍氢电池拥有出色的耐过充和过放能力，安全可靠，且能量密度和功率密度较高，在混合动力汽车上应用较广。但是在温度较高时镍氢电池的充放电效率很低，此外，镍氢电池成本较高，对加工、封装工艺要求也较高，不适合用于纯电动汽车。燃料电池理论上是最合适的动力电池，其本质更像一种产能装置，使电动汽车不受续驶里程的限制，并且几乎零污染。但是其成本高、系统效率低、原料储备困难等问题使燃料电池离全面推广还有一段距离。相对其它类型电池，锂离子电池具有比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小和快速充电等优点，这也是现在电动汽车普遍选用锂离子电池作为车用动力电池的原因。

2、电池均衡技术研究

均衡技术研究主要集中在两个方面：均衡策略研究与均衡电路拓扑结构研究。均衡策略研究着眼于寻找合适的均衡变量，针对该均衡变量结合一定的统计学方法建立不一致性评价指标，并根据某种均衡电路寻找合适的均衡路径，确立最佳均衡闭值等。均衡电路拓扑结构则着重研究实现均衡的最佳电路结构，在保证均衡效率的情况下尽量简化结构降低成本。

2.1 均衡策略研究

均衡策略研究的基础是选择合适的均衡变量，有国内外学者基于电池管理系统以工作电压作为充放电截止条件和均衡变量，谋求充放电过程中工作电压保持一致。以工作电压作为均衡变量可以避免荷电状态(SOC)估算问题，电压测量简单易实现，对嵌入式系统资源要求较低，但工作电压并不能真实反映电池组容量状态的一致性，且受电池内部多种因素影响，均衡效果不稳定，很容易波动。美国Akron大学Sriram Yarlagadda等人以SOC为均衡变量在MATLAB环境下对均衡效果进行了仿真验证，但在实际应用中仍以工作电压作为均衡变量。北京交通大学李索宇则采用了一种类似开路电压法的SOC识别方法，在电池组充电末端建立了开路电压和极化电压之和与SOC之间的关系，消除了极化电压以及内阻压降对SOC估算的影响，从而能够实现SOC的实时估算，使基于SOC的均衡控制策略得以实现。

在均衡过程具体实现方面，浙江大学陈晶晶等人考虑了均衡电流造成的极化问题，采取过均衡+滞环控制的方法，参与均衡的两节电池电压先趋向一致再反向分离，这样就可以保证停止均衡时两节电池电压尽可能一致，但是过均衡的程度不易控制，需要通过反复试验调节。韩国Moon-Young Kim考虑到电压平台阶段SOC变化较大而工作电压变化不大的特殊情况，提出对电压平均值进行修正,以延长均衡时间，从而保证电压和SOC的统一，但是电压平台阶段工作电压与SOC的关系受工作电流影响很大，使得修正值的确定存在困难，极端情况下甚至可能增大不一致性。

总体来说，以SOC作为均衡变量被认为可以从根本上改善电池组不一致性问题，是目前研究的热点，但是该方法严重依赖于SOC在线估算精度，因此实际应用中大多均衡系统仍以电压作为均衡变量，在此基础上采取一定的策略以单体电压某种关系来反映SOC的一致性相对而言是比较可行的一种方法。

2.2 均衡电路拓扑结构研究

根据对所传递的能量的处理方式不同，均衡电路可以分为能量耗散式均衡和能量非耗散式均衡(即无损均衡)，国外有些文献又分别称之为被动均衡和主动均衡。

能量耗散式均衡主要通过令电池组中能量较高的电池利用其旁路电阻进行放电的方式损耗部分能量，以期达到电池组能量状态的一致。这种均衡结构以损耗电池组能量为代价，并且由于生热问题导致均衡电流不能过大，适用于小容量电池系统以及能量能够及时得到补充的系统。

相比之下，能量非耗散式均衡电路拓扑结构目前己出现很多种，本质上均是利用储能元件和均衡旁路构建能量传递通道，将其从能量较高电池直接或间接转移至能量较低的电池，一般可分为电容型、变换器型和变压器型三种。Kobzev等人提出开关电容式均衡电路拓扑结构，利用电容充放电实现能量转移，此类构型的缺点在于均衡时间较长，特别是电池电压相差不大时尤其明显。变换器型均衡电路以Buck, Boost以及Cuk变换器等为基础利用功率电感实现能量的转换和转移，转换器型电路可以实现能量的双向流动，均衡效率较高，但是往往需要复杂的开关阵列和精确的控制算法。变压器型均衡电路多以反激式变压器作为基本结构，可分为单磁芯、多磁芯、单副边、多副边等多种类型。Moon-Young Kim等人采用的是单副边双向反激式变压器，原边连接整个模块，副边连入某一节电池，通过开关阵列实现所有单体巡检。

目前均衡研究的关键问题是如何根据纯电动汽车运行特点，综合考虑多种因素对均衡电路拓扑结构进行合理选取或改造，选取可在线获取的均衡变量并结合电路特点制定适合不同充放电工况的均衡控制策略，最终能够在提高电池组容量利用率的前提下尽可能减少能量消耗、缩短均衡时间。

3、电池模型的建立

电池模型的建立，主要有利于电路模拟的计算及分析，有效的电池建模能实际反应真实电池状况。电池建模所参考的外部变量包括电池端电压、工作电流、内阻、电动势、SOC、温度等，找出参数变量之间的联系对于电池管理系统的开发具有重要的意义。

电池管理系统对动力电池建模的要求：(1)在建立电池模型之前，通过特性测试，充分了解电池的特性。(2)所选择电池的模型的阶数不宜太高，能体现电池的动态特性。电池模型并非越复杂越好，尽管复杂的模型一般来说更能贴近电池的真实情况，但是复杂的模型的实现起来的代价也相对较高，不适用于电动汽车上实时运行的嵌入式系统。(3)必须能确定参数的数值大小，不能过于强调模型的形式，应该相应地给出一套适合于该模型的参数估计法。

在蓄电池进行放电的过程中，电池的端电压并不会保持恒定值，以定电流放电为例，电池的端电压会持续下降。当系统对于电池的端电压精度要求较高，或实时体现蓄电池真实情况时，用简单的电池模型做电路模拟就无法看出真正的问题。使用完整的、实用化的，能真实呈现电池特性的蓄电池模型，可以针对蓄电池特性进行有效的实时管理。到目前为止，电池模型较常被人们所采用的类型主要包括：理想模型、线性模型、戴维宁等效模型、等效电容模型、Pspice宏观模型。各自模型由于其各自模型特性具有不同的计算方法。

4、MATLAB仿真实验

在选定电池类型，参考变量，相应算法并且完成了电池模型的搭建以后，就要对电池模型进行在MATLAB环境下的动态仿真，从而验证电池模型的构建是否合理。

为了验证均衡控制策略的控制效果，在MATLAB/Sim PowerSystems环境下搭建均衡系统仿真模型。SimPowerSys -tems是MATLAB下专门用于仿真电力系统的组件库，其中内置了大部分电力系统组件模型，可与Simulink中其他工具箱结合搭建复杂的电力控制系统，并可自动分析仿真结果。

在进行电池模型仿真过程中，由于电池在静态情况下，充电情况下以及放电情况下各性能参数的差异，需要将模型建立情况分为：搁置阶段均衡控制策略仿真、充电阶段均衡策略仿真、放电阶段均衡策略仿真。

5、结束语

近年来均衡控制技术的研究成为各大高校和汽车公司对电动汽车研究的首要选题，本文对车用电池发展现状，电池均衡控制研究现状做了综合性的分析。在整体分析了国内外均衡控制技术研究现状的基础上，对电池均衡控制技术的研究方法和过程做了简要的介绍，使大家在了解到电池均衡控制技术的现状基础上也能掌握一定电池均衡控制知识。

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The Analysis of Battery Equalization control Technology in Electric Vehicle

Shen Baixin
( Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Battery is the core component of the electric vehicle and the service life of battery impacts the development of electric vehicle. Controlling the charge and discharge equalization of the battery is the key factor that decides the battery life. This paper mainly introduces the development of common battery equalization technology and the selection of battery equalization technology parameters. On the basis of the common equilibrium control technology, this paper gives a relatively reasonable equilibrium control method.

electric vehicle; battery service life; battery equalization control

U469.7

A

1671-7988(2016)07-14-03

沈百新，就读于长安大学汽车工程学院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.005