焦亞田，謝長君，湯澤波，程 哲，全書海

電動汽車鋰電池組高效主動均衡的研究與測試?

焦亞田1，謝長君1，湯澤波2，程 哲1，全書海1

(1.武漢理工大學(xué)自動化學(xué)院，武漢 430070； 2.東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，武漢 430058)

電動汽車車載動力鋰電池組在動態(tài)循環(huán)工況下的不一致性問題會嚴(yán)重降低電池組的整體性能。為此設(shè)計了一種基于寬壓雙向DC/DC的鋰電池組主動均衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任意單節(jié)或相鄰多節(jié)電池間的高效能量轉(zhuǎn)移。系統(tǒng)包括開關(guān)陣列選通單元、雙向DC/DC單元和超級電容儲能單元等。以各單節(jié)電池實(shí)時電壓為均衡變量，開展均衡策略研究，并搭建了電池組主動均衡系統(tǒng)測試臺架，對電池組在靜置和恒流充電兩種狀態(tài)下進(jìn)行均衡測試。結(jié)果表明:所提出的主動均衡方案可快速改善電池間的電壓不一致性，均衡過程中能量轉(zhuǎn)移效率可達(dá)83%以上。

電動汽車；主動均衡；雙向DC/DC；超級電容；能量轉(zhuǎn)移效率

前言

車用動力鋰電池組在使用過程中會出現(xiàn)單體電池間的不一致性問題[1]，使電池間產(chǎn)生實(shí)際電流倍率和放電深度[2－3]的差異，降低電池組的整體性能。目前，電池均衡是減少電池組不一致性的有效方法。國內(nèi)外學(xué)者已提出了多種均衡方案，主要分為被動均衡和主動均衡。文獻(xiàn)[4]中提出的DC/DC變換器法，效率高、耗時短，但造價高并存在電磁兼容問題。文獻(xiàn)[5]中提出的基于電感的BUCK-BOOST法和文獻(xiàn)[6]中提出的基于電感電容的CUK法，都是主動均衡方法，優(yōu)點(diǎn)是均衡時間短，能量利用率高，但這兩種方法能量流動只能在相鄰兩節(jié)單體電池之間進(jìn)行，效率較低。文獻(xiàn)[7]中提出一種以單體電池SOC為均衡變量的主動均衡系統(tǒng)，采用平均值比較法對電池組進(jìn)行SOC均衡，改善了電池組SOC不一致性，但耗時較長且效率不高。

從提高均衡總體效率出發(fā)，本文中提出了一種基于寬壓雙向DC/DC，可調(diào)節(jié)任意單節(jié)或相鄰多節(jié)電池間能量轉(zhuǎn)移的主動均衡方案。以各單電池實(shí)時電壓為均衡變量，并搭建了由8節(jié)鐵鋰電池串聯(lián)的電池組主動均衡系統(tǒng)測試臺架進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 鋰電池組主動均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文中所設(shè)計的主動均衡系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)主要包括:均衡主控制器、開關(guān)陣列、雙向DC/DC、超級電容、電流檢測、16位譯碼器和驅(qū)動電路等。

圖1 主動均衡系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)陣列負(fù)責(zé)選通均衡電池，如圖2所示加入譯碼器，實(shí)現(xiàn)硬件互鎖。選通V－的譯碼器輸出永遠(yuǎn)比選通V＋的譯碼器輸出小，加入比較程序?qū)崿F(xiàn)軟件互鎖，從而保證每次只導(dǎo)通一正一負(fù)兩個開關(guān)。在N節(jié)串聯(lián)電池組中，當(dāng)選通電池為Bl～Bs節(jié)時，主控芯片向譯碼器發(fā)送命令，只導(dǎo)通電子開關(guān)K2l－1和K2s(1≤l≤s≤N)。

雙向DC/DC讓電能在高能量電池、儲能電容和低能量電池之間流動。電池組與電容之間，能量是雙向流動的，因此需要雙向的DC/DC控制能量方向。本文中采用的是正向BUCK，反向BOOST方式的雙向DC/DC電路。

電流檢測單元負(fù)責(zé)電流檢測和電量計算，在整個均衡電路硬件設(shè)計中，將所有參與轉(zhuǎn)移的電量統(tǒng)計起來，完成轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出能量等數(shù)據(jù)的計算，由轉(zhuǎn)入能量與轉(zhuǎn)出能量的比值便可得到能量轉(zhuǎn)移效率ηw

圖2 開關(guān)陣列控制電路圖

[8－9]。其中轉(zhuǎn)出能量Wout為高能量電池減少的總能量，轉(zhuǎn)入能量Win為低能量電池增加的總能量。

2 基于寬壓雙向DC/DC的鋰電池組均衡變量與策略研究

2.1 均衡變量與均衡策略研究

2.1.1 均衡變量及策略制定

本文中結(jié)合現(xiàn)有均衡變量的優(yōu)缺點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的現(xiàn)有資源，在電流變化較小時，選擇實(shí)時電池電壓作為均衡變量，其中各電池實(shí)時電壓由電壓巡檢系統(tǒng)獲取。在此引入統(tǒng)計概念中的均值U、極差r和方差δ2:

式中:n為串聯(lián)電池節(jié)數(shù)；i，j為第i，j節(jié)電池，i，j＝1，2，…，n。

本文中采用主動均衡策略，以電池實(shí)時電壓為均衡變量，計算均值反映電池組整體性能，方差檢驗(yàn)電池組的均衡優(yōu)劣，設(shè)置電池極差小于0.01時則表示該電池組不需要再進(jìn)行均衡，從而減少電池能量來回轉(zhuǎn)移次數(shù)，降低損耗浪費(fèi)。

2.1.2 均衡系統(tǒng)工作流程

本文中均衡系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。均衡主控制器通過CAN總線獲得電壓巡檢模塊檢測的電壓值；通過開關(guān)陣列選通任意單節(jié)或相鄰多節(jié)電池，多電池同時均衡，提高了效率；雙向DC/DC可調(diào)節(jié)待均衡電池與超級電容的能量流動，閉環(huán)調(diào)節(jié)電路中均衡電流為2A；通過能量計算模塊計算均衡轉(zhuǎn)移能量和轉(zhuǎn)移電荷，以損失的能量折合校正電池管理系統(tǒng)預(yù)估的電池組SOC值。

圖3 均衡系統(tǒng)工作流程圖

在多電池同時均衡模式下，選通高能量電池:找出電池組內(nèi)最高電壓電池Bj，在Bj兩側(cè)依次順序?qū)ふ译妷褐荡笥谄骄妷旱碾姵?，出現(xiàn)間斷則停止尋找，控制導(dǎo)通電子開關(guān)，使被選電池放出電能。選通低能量電池同理。

2.2 寬壓雙向DC/DC參數(shù)設(shè)計分析

鋰電池的單節(jié)電壓范圍一般為2.6～3.7V，多電池同時均衡節(jié)數(shù)為x(1≤x≤n)，待均衡電池單元電壓等級則為2.6x～3.7x(V)，后級超級電容電壓等

級為0～2.7V。BUCK電路占空比D取值0.1～0.9，推出前級電池最大電壓Ub＝UBUCK－in＝UBOOST－out＝(3～27)V，待均衡高能量電池最大節(jié)數(shù)x＝27/3.7取7。前級均衡電池總線電壓最大27V，超級電容電壓2.7V，設(shè)定電池電壓紋波率小于2%，均衡電池電流2A。設(shè)計出正向BUCK、反向BOOST的雙向DC/DC電路圖，如圖4所示。

圖4 雙向DC/DC電路圖

其中電感L實(shí)現(xiàn)兩種功能，在BUCK電路中作為輸出濾波器，在BOOST模式時實(shí)現(xiàn)儲能升壓。開關(guān)管Q1、電容C1只作用于BUCK模式，開關(guān)管Q2，C2只作用于BOOST電路。Q3，Q4和L0功能上實(shí)現(xiàn)軟啟動，與計算參數(shù)無關(guān)。

分解正向BUCK電路，結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D5所示。

圖5 正向BUCK電路原理圖

設(shè)定正向BUCK電路開關(guān)頻率為10kHz，鋰電池放電時電流諧波盡可能小，BUCK電路中的電感紋波電流和紋波電壓為[10]

式中:ΔIL為電感紋波電流，這里取電感電流紋波系數(shù)為0.2；fs為開關(guān)頻率10kHz；IL為均衡電流2A；ΔUc為紋波電壓；Uc為電容電壓。接著計算L和C1值:

同時，電感L還工作在BOOST模式下，分解反向BOOST模式，結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D6所示。

圖6 反向BOOST電路原理圖

在BOOST模式下電感電流連續(xù)，最小負(fù)載電流大于臨界最小電流，設(shè)定最小負(fù)載電流0.1A。

由BOOST電路公式[10]計算在臨界模式下求出最小電感Lmin:

式中:Imin為臨界最小電流；Uin為輸入電壓，這里為超級電容電壓。求出L值:

由紋波電壓選取輸出電容的容量，在連續(xù)電流工作模式下求出最小電容C2:

式中:Iout為均衡電流，2A；ΔUout為紋波電壓。

綜上分析，考慮到安全裕量，電感L選型參數(shù)為1mH/20A，電容C1選型參數(shù)為33μF/100V，電容C2選型參數(shù)為470μF/200V。

通過MATLAB/Simulink對計算出的雙向DC/ DC參數(shù)進(jìn)行建模與仿真，并驗(yàn)證其合理性。設(shè)計的該雙向DC/DC可以最大同時均衡7節(jié)電池，儲能設(shè)備是額定電壓為2.7V的超級電容，取均衡電池節(jié)數(shù)M＝1，3，5，7時的4種情況下進(jìn)行仿真。

(1)正向BUCK模式

4種情況輸入的被均衡電池電壓分別為3.2，9.6，16和22.4V，輸出給超級電容電壓為2.7V。同一BUCK電路工作于4種情況下的輸出電壓曲線如圖7所示。

圖7 電路仿真輸出電壓曲線

正向BUCK模式輸出結(jié)果如表1所示，幾種不同情況下的紋波電壓均小于0.03V，參數(shù)設(shè)計合理，滿足要求。

表1 BUCK模式輸出結(jié)果表

(2)反向BOOST模式

4種情況輸入的超級電容電壓2.7V，輸出給待均衡電池電壓分別為3.2，9.6，16和22.4V。同一BOOST電路工作于4種情況下的輸出電壓曲線如圖8所示。

圖8 反向BOOST電路仿真輸出電壓曲線

反向BOOST模式輸出結(jié)果如表2所示，均衡電池節(jié)數(shù)M＝1，3，5，7時的4種情況下紋波電壓分別為0.01，0.024，0.025和0.05V，參數(shù)設(shè)計合理，滿足要求。

表2 BOOST模式輸出結(jié)果表

3 磷酸鐵鋰電池組均衡測試與分析

3.1 鋰電池組均衡測試臺架建立

搭建實(shí)驗(yàn)測試臺架如圖9所示。其主要包括均衡主控板、開關(guān)陣列板、雙向DC/DC板以及電壓巡檢模塊和電流采集模塊等。實(shí)驗(yàn)測試對象為8節(jié)串聯(lián)的中航鋰電(洛陽)有限公司生產(chǎn)的40A·h磷酸鐵鋰電池組，單體電池標(biāo)稱電壓為3.2V。

本次實(shí)驗(yàn)中主控芯片采用Microchip公司的PIC18F458微處理器；超級電容采用美國Maxwell超級電容器，單節(jié)2.7V/360F；BMS采用團(tuán)隊自主研發(fā)的電池管理系統(tǒng)。

圖9 實(shí)驗(yàn)測試臺架

3.2 靜止?fàn)顟B(tài)下鋰電池組均衡測試

電池組處于靜置狀態(tài)，調(diào)節(jié)電池初始電壓至3V，容差為－0.1～0.2V，隨機(jī)對各電池進(jìn)行不同程度的充放電處理，得到8節(jié)電池初始電壓。啟動電池均衡系統(tǒng)，每隔4min通過電池管理系統(tǒng)讀取電壓值并記錄。數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行60次后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及參數(shù)計算后得到表3。

表3 電池組靜置時數(shù)據(jù)記錄及參數(shù)計算

由數(shù)據(jù)可知，電池組在靜置狀態(tài)下，均衡前電池組電壓極差為0.229V，均衡后電壓極差為0.006V。大約在第38次采集時，電池組已經(jīng)達(dá)到均衡狀態(tài)，均衡時間約為152min。本次實(shí)驗(yàn)電池組能量轉(zhuǎn)移效率ηW為84.79%。

電池組靜置時，電池組無外部充放電，電池組SOC降低0.32%，即均衡能量損失。

3.3 充電狀態(tài)下鋰電池組均衡測試

實(shí)驗(yàn)中電池組處于恒流充電狀態(tài)[11]，調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)中電池初始電壓至3V，容差為－0.1～0.2V，分別對電池進(jìn)行充放電，使電池初始電壓與電池組靜置狀態(tài)下均衡測試中的初始電壓相近。啟動電池均衡系統(tǒng)，每隔4min通過電池管理系統(tǒng)取電壓值并記錄。數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行70次后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及參數(shù)計算后得到表4。

分析數(shù)據(jù)可知，在電池組處于充電狀態(tài)下，均衡前電池組電壓極差為0.229V，直到64次采集數(shù)據(jù)，電壓極差小于0.01V，均衡時間約為256min。本次實(shí)驗(yàn)電池組能量轉(zhuǎn)移效率ηW為83.87%。

電池組恒流充電時，電池組SOC依次逐漸遞增。充電前電池組SOC為35.7%，充電帶均衡結(jié)束后SOC為93.4%，若不計入均衡能量損失導(dǎo)致的ΔSOC(0.57%)，則SOC為94%。因此計入均衡校正值能提高SOC的準(zhǔn)確性。

表4 電池組充電時各實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本文中針對電動汽車動力電池組電池間存在的不一致性問題，提出了一種基于寬壓雙向DC/DC的主動均衡方案，它可調(diào)節(jié)任意單節(jié)或相鄰多節(jié)電池間的能量轉(zhuǎn)移，以各電池實(shí)時電壓為均衡變量，以電壓極差小于0.01V為均衡標(biāo)準(zhǔn)。

通過所搭建的由8節(jié)鐵鋰電池串聯(lián)的電池組主動均衡系統(tǒng)測試臺架，測試了電池組處于靜置和恒流充電兩種狀態(tài)下的均衡效果。比較均衡前后電池組的電壓極差、電壓方差等指標(biāo)，分析均衡過程中能量轉(zhuǎn)移效率等參數(shù)。結(jié)果表明，本文中提出的均衡方案可以較好且快速地改善電池組電壓不一致問題，靜止和充電兩種狀態(tài)下均衡過程中能量轉(zhuǎn)移效率分別高達(dá)84.79%和83.87%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分表明，本文中提出的均衡方案可行。

[1] 戴海峰，王楠，魏學(xué)哲，等.車用動力鋰離子電池單體不一致性問題研究綜述[J].汽車工程，2014，36(2):181－188.

[2] ZHANG Yancheng，WANG Chaoyang，TANG Xidong.Cycling degrada-tion of an automotive LiFePO4lithium-ion battery[J]. Journal of Power Sources，2011，196(3):1513－1520.

[3] WOOD E，ALEXANDER M，BRADLEY T H.Investigation of battery end-of-life conditions for plug-in hybrid electric vehicles[J]. Journal of Power Sources，2011，196(11):5147－5154.

[4] 張立森，王立志.PWM型開關(guān)電容DC-DC變換器的非線性動力學(xué)行為研究[J].電子學(xué)報，2008，36(2):266－270.

[5] PARK S H，PARK K B，KIM H S，et al.Single-magnetic cell-tocell charge equalization converter with reduced number of transformer windings[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(6):2900－2911.

[6] LEE Y S，CHENG M W，YANG S C.Fuzzy controlled individual cell equalizers for lithium-ion batteries[J].IEICE Transactions on Communication，2008，91－B(7):2380－2392.

[7] 邱平平，劉和平，楊金林，等.一種磷酸鐵鋰動力電池組主動均衡充電系統(tǒng)[J].電工電能新技術(shù)，2014，33(1):71－75.

[8] 呂航，劉承志.電動汽車磷酸鐵鋰電池組均衡電路設(shè)計[J].電源學(xué)報，2016，14(1):95－101.

[9] BOUCHHIMA N，SCHNIERLE M，SCHULTE S，et al.Active model-based balancing strategy for self-reconfigurable batteries[J]. Journal of Power Sources，2016，322:129－137.

[10] 楊玉崗，馬杰，馬云巧，等.多相交錯并聯(lián)磁集成雙向DC＿DC變換器中耦合電感的通用設(shè)計準(zhǔn)則[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，35(23):6122－6134.

[11] 姚雷，王震坡.鋰離子動力電池充電方式的研究[J].汽車工程，2015，37(1):72－77.

Research and Testing of Efficient Active Equalization of Lithium Battery Pack for Electric Vehicles

Jiao Yatian1，Xie Changjun1，Tang Zebo2，Cheng Zhe1＆Quan Shuhai1
1.School of Automation，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070； 2.Dong Feng Motor Corporation Technical Center，Wuhan 430058

The cell inconsistency in the power lithium battery pack of electric vehicle under dynamic cyclic conditions will seriously lower the overall performance of battery pack.In view of this problem，an active equalization system for battery pack based on wide voltage bidirectional DC/DC is designed to realize the efficient energy transfer among any single cell or adjacent multiple cells.The system includes the gating switch array unit，the bidirectional DC/DC unit and the super capacitor energy storage unit etc.The equalization strategy is studied with the real-time voltage of single cell as equalization variable，and a corresponding test rig is constructed to conduct equalization test under both static state and constant-current charging state.The results show that the active equalization scheme proposed can quickly improve the voltage consistency between cells within battery pack，with the energy transfer efficiency in both states reaching above 83%.

EV；active equalization；bidirectional DC/DC；super capacitor；energy transfer efficiency

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.08.002

?國家自然科學(xué)基金(51477125)、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(2013CB632505)、湖北省科技支撐計劃項目(2014BEC074)、武漢市青年科技晨光計劃項目(2016070204010155)和中央高?？蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(2017II40GX)資助。

原稿收到日期為2016年7月18日，修改稿收到日期為2016年10月23日。

謝長君，教授，E-mail:jackxie＠whut.edu.cn。