一种针对串联电池组带电不均衡的均衡技术

2020-03-10，，，，，

机械与电子 2020年2期

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(长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064)

0 引言

电动汽车以绿色环保、能源效率高和高性价比等优势快速发展，已逐步取代传统的燃料汽车在汽车市场中所占地位。现如今多数电动汽车采用的动力电池系统都是由单体电池串并联后打包而成。电池串联容易在充放电过程中造成电池荷电状态不均衡，电池内部结构因此发生变化，长期以来会造成单体电池短路或断路。电池短路产生大量的热，若无法及时散热可能导致电池的自燃。电池断路则会使所在串联支路的所有电池失去效能，整个动力电池系统的效能大打折扣。因此，消除动力电池系统的带电量不一致性对电动汽车整体性能有着至关重要的作用[1-2]。

目前，国内外针对于串联电池带电量不一致现象的研究已经取得很大成果[3-5]。针对分析串联电池组中出现的带电量不均衡状态，提出了一种新型的均衡技术。通过串联电池组中电池的带电量，采用均方差确定不均衡状态，进而确定均衡控制策略，并通过电感所组成均衡电路实现电池带电量的再分配，快速消除串联电池组的带电量的不一致性。

1 电池连接结构及不均衡状态

1.1 电池连接结构

电动汽车安装的电池系统一般由成百上千的单体电池串并联而成，电池串联后所组成的电池组能够增加电池系统的输出电压，电池和电池组并联则能够增加电池系统的输出电流，所以电池系统要根据实际所需输出电压和输出电流设计合理的串并联结构[6]。目前，电池系统的根据连接方式不同可分为3大类，分别为先串后并型、先并后串型以及串并混合型，具体结构如图1所示。

先串后并型是由多个单体电池串联成电池组后，再由电池组并联形成电池系统，这种结构形式相对简单，且方便对各个单体电池进行检测。然而，串联支路却容易因某一个单体电池失效使得整条串联支路的电池无法发挥作用，可靠性和稳定性相对较差。

先并后串和串并混合的结构不会因为某一个单体电池失效间接导致其他电池失效的情况出现，虽然同时提高了连接电路的复杂程度，但是可靠性和稳定性相对增强。因此，市场上大多数电动汽车的动力电池系统多采用先并后串和串并混合的结构形式。

图1 电池系统结构示意

电池并联会因自身的电路特性而发生自均衡现象，故不需要通过均衡技术消除带电量的不均衡。电池串联时充放电电流虽然一致，但是可能最初带电量本身就会存在差异，若长时间不消除这种差异会使得差异更加明显，因此当出现带电量不均衡时需要通过外部添加的均衡电路重新分配电量消除不一致性。现在动力电池系统通常采用先并后串和串并混合的结构，并联单元内的单体电池会进行自均衡，但是由并联单元组成的串联支路上的各并联单元却无法进行自均衡，需要外部均衡电路来消除带电量不一致性。将并联单元等效成一个大容量电池，可将先并后串和串并混合的结构中串联支路的视为单体电池串联支路进行研究。

1.2 电池带电量不均衡状态

经研究分析发现，电池带电量不均衡共可分为4种，即：一高一低型，一低多高型，一高多低型和参差不齐型。

一高一低型是串联电池组中存在1个带电量相对较高的电池和1个带电量相对较低的电池，其余电池的带电量基本一致。一低多高型是串联电池组中大部分电池的带电量基本一致，仅有1个电池的带电量略低于其他电池的带电量。一高多低型串联电池组中大部分电池的带电量基本一致，仅有1个电池的带电量略高于其他电池的带电量。参差不齐型是串联电池组中不存在大多数电池带电量基本一致的情况，多数电池的带电量的大小分布在所有电池带电量的平均值两侧。

现有均衡电路的针对性较强，通常对某一种不均衡状态的均衡效果非常好。经典的飞度电容电路能够通过电容快速将能量高的电池的电能转移到能量低的电池的电能上，非常适合串联电池组出现一高一低的不均衡状态。经典的电感型拓扑均衡回路能够通过电感将相邻电池的电能进行快速转移，非常适用于串联电池组出现参差不齐的不均衡状态[7]。因此，需要设计一种均衡电路能适用于各种不均衡状态。

2 本文所提出的主动均衡技术

2.1 均衡判断

动力电池系统中的单体电池的带电量是无法直接实时测量的，因而无法根据测量所得的带电量进行均衡判断。通常判别依据是能够反应电池电量的相关物理属性，如开路电压值、端电压值，或者通过相关物理属性间接估计出带电量并以此作为判别依据。目前，研究者们共提出了3种判别依据，即开路电压判据，端电压判据和SOC判据[8]。

电池的开路电压与电池的带电量是呈非线性正相关的，能够估测电池的带电量，不会产生较大误差，但是电池在电路中使用时很难测到实时的开路电压值。此外，某些电池的开路电压与带电量的对应关系曲线在带电量处于20%～80%之间时十分平坦，即使开路电压出现微小误差，所估计带电量也会出现较大偏差。因此，以开路电压作为判别依据的方法只适用部分电池实验验证，无法应用于工业生产上。

电池的端电压值同样与电池的带电量呈正相关，端电压是电池连接在电路中工作时所测的电池电压值，此时无法单靠端电压反应电池的带电量，需要考虑电池电流、电池温度和电池极化内阻等多种因素。仅仅依据端电压去估计电池带电量时，容易出现较大的估计误差值，所以判别依据也很少使用。

电池的SOC是表示电池剩余电量百分比的一个参数，通过电池电压、电流和内阻等物理量，采用神经网络、卡尔曼滤波等方法所得到的，能够实时准确反应电池的带电量状态，满足实际功能工业技术的需求，本文也采用电池SOC作为均衡判断的依据。当测量估算得到电池SOC值后，计算电池组的SOC均方差值判断串联电池组的带电量是否出现不一致，具体表达式为

(1)

Ssoc为N个单体电池所组成的串联电池组的SOC 均方差值;SOCavg为N个单体电池所组成的串联电池组的SOC平均值;SOCi为第i个单体电池的SOC值。

SOC均方差值的大小能够反应电池组的总体的离散程度，当SOC均方差值大于设定的阈值时，表明电池组的状态出现不均衡，需要进行电量均衡。SOC均方差值的设定阈值与串联电池组中的电池容量和电池数量相关，阈值设定要合理，过大则不能有效消除一低多高型和一高多低型的不均衡状态。

通过SOC均方差值判断得出串联电池组出现带电量不均衡时，还需要对单体电池的SOC值进行进一步的数据分析，判断是哪一种不均衡状态，若为一高多低型和一高一低型不均衡状态，还需知道具体的某一节电池带电量偏高，某一节带电量偏低，图2显示了判断不均衡状态的流程。

图2 不均衡状态判别流程

首先，计算出除去串联电池组中一节单体电池后，剩余N-1节电池的SOC均方差值，依次除去不同的单体电池并计算可得到N个SOC均方差数据。

若N个SOC均方差数据中有a(a>2)个以上的SOC均方差值未超过了预设阈值，对应有a个电池的SOC值偏高或者偏低，说明串联电池组的电池SOC值离散程度较高，不均衡状态为参差不齐型。

若计算得到的N个SOC均方差数据，有2个SOC均方差值未超过了预设阈值，对应有2个电池的SOC值偏高或者偏低，若这2节电池SOC值相差较大，不均衡状态为一高一低型，否则视为参差不齐型。若计算得到的N个SOC均方差数据，仅有1个SOC均方差值未超过了预设阈值，对应有1个电池的SOC值偏高或者偏低，若SOC值偏高则为一高多低型，若SOC值偏低则为一低多高型。

2.2 实施均衡方案

在均衡判断阶段确定不均衡的状态后，需要进行均衡处理操作，均衡操作会因不均衡状态的不同而有所差异，为了详细说明这个过程，需要结合主动均衡电路图，如图3所示。

图3a中电路主要包括了6个型号相同的单体电池所组成的串联电池组以及由电感所组成的5个相邻均衡单元，2个SPDT以及1个电容。图3b是图3a中均衡单元放大后的电路结构，由2个电感和4个MOSFET组成。

图3 主动均衡电路结构和放大后的均衡单元

本文所提出的主动均衡电路是在Thanh Hai Phuang于2014所提出的基于电感的双路交错式均衡电路的基础之上改进的，并且结合了飞度电容均衡电路的优点，能够有效针对各种不均衡状态。基于电感的双路交错式均衡电路能够对相邻2个电池的电能快速转移，通过削峰填谷式均衡方法快速消除电池带电量不一致，非常适合参差不齐型不均衡状态，对一高多低和一低多高电路也有不错的均衡效果。然而，当出现一高一低型不均衡状态时，只能通过均衡单元之间进行电能的间接转移，不能够实现电量高的电池和电量低的电池之间电能的快速转移，而本文提出均衡电路却能弥补这个不足。

当电路出现一高一低不均衡状态时，假设B1的电量稍高，B6的电量稍低，将SPDT1和SPDT2将开关打到a端，S1和S2闭合，此时B1就会向电容C1充电，充电完成后，断开S1和S2，将S6和S7闭合, SPDT2将开关打到b端，此时C1给B6放电，不断循环此过程就能消除带电量的不均衡。

3 实验与仿真

为了充分说明所提出均衡电路的有效性，对所设计的均衡电路进行了充放电实验。磷酸铁锂电池因其安全性、高能量密度和使用寿命长等优势广泛被使用，所以仿真实验选取磷酸铁锂电池作为研究对象。仿真电路串联电池组中选取的电池数目要合适，电池数量太少所得到的仿真结果无法充分说明均衡电路的高效性，太多实验时间又会太长，因此选取了6节磷酸铁锂电池所组成串联电池组作为均衡对象。仿真设置的6节磷酸铁锂电池的初始SOC值分别为50%，50.1%，50.2%，50.3%，50.4%和50.5%。仿真选用ode23tb仿真器进行仿真，仿真步长设置为0.1 ms。