申永鵬 葛高瑞 馮建勤 牛運(yùn)晨

摘 ?要： 針對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池單體SOC不一致問題，提出一種充電模式下分布式主動(dòng)均衡控制方法。首先，分析“并聯(lián)單體解耦?分布式控制器串聯(lián)”動(dòng)力電池組的工作特性，在此基礎(chǔ)之上，通過在充電過程中實(shí)時(shí)調(diào)整均衡加速系數(shù)[α]，實(shí)現(xiàn)單體充電速率的線性動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。最后針對(duì)6組動(dòng)力電池單體進(jìn)行充電均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的充電模式下的主動(dòng)均衡控制方法，可以將單體電壓標(biāo)準(zhǔn)差從充電初始時(shí)的0.05降至0.007，避免了單體過、欠充現(xiàn)象，有效地提高了動(dòng)力電池組的使用效能和使用壽命。

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車; 動(dòng)力電池組; 均衡控制系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 線性動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié); 充電均衡

中圖分類號(hào)： TN876.3?34; U469.72 ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）12?0095?05

Abstract： In allusion to the inconsistency of the individual cell SOC of power battery in electric vehicle， a method of distributed active balancing control in the charging mode is proposed. The operating characteristic of the power battery pack “parallel individual cell decoupling? series of distributed controller” is analyzed. On this basis， the linear dynamic regulation of the charging rate of individual cell is achieved by means of the real?time regulation of the balancing acceleration coefficient [α]in the charging process. The charging balancing experiments were carried out for 6 group individual cells of power battery. The experimental result shows that the proposed method of active balancing control in the charging mode can decrease the cell voltage STD from 0.05 at the beginning of charging to 0.007， which avoids the phenomenon of overcharge and undercharge of individual cell， and effectively improves the service efficiency and service life of the power battery pack.

Keywords： electric vehicles; power battery pack; balancing control system; system design; linear dynamic regulation; charging balance

0 ?引 ?言

“純電驅(qū)動(dòng)”是我國汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略導(dǎo)向，在電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化過程中，動(dòng)力電池的能量密度、循環(huán)次數(shù)、安全性仍是影響電動(dòng)汽車發(fā)展的主要技術(shù)瓶頸。動(dòng)力電池組通常采用多節(jié)單體先并聯(lián)后串聯(lián)的方式以提高容量和輸出電壓[1?2]。由于制造工藝及老化程度的影響，單體電池內(nèi)阻、自放電率等不完全相同[3]，在充放電過程中，單體不允許出現(xiàn)過充及過放現(xiàn)象，但受串聯(lián)電路基本特性的限制，單體間荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）差異將不斷擴(kuò)大[4?5]，最終導(dǎo)致動(dòng)力電池組整個(gè)實(shí)際可用容量不斷減少，大大縮短了動(dòng)力電池組的續(xù)航里程。

為消除單體間SOC差異對(duì)動(dòng)力電池組實(shí)際可用容量的限制，延長動(dòng)力電池組的使用壽命，必須對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行均衡管理?，F(xiàn)有解決動(dòng)力電池組SOC不一致的方法主要有：單體分揀技術(shù)、均衡控制技術(shù)。其中，單體分揀技術(shù)在單體成組前依照單體電壓或SOC將相同參數(shù)的單體進(jìn)行成組，保證初始狀態(tài)動(dòng)力電池SOC一致，但并不能保證使用過程中由于溫度、震動(dòng)等外部因素造成的單體SOC不一致[6?7];均衡控制技術(shù)主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩大類[8?10]，被動(dòng)均衡的基本思路是采用電阻等耗能原件將SOC較高單體中的電荷消耗掉，直至與其他單體的SOC或者參考SOC一致[11?12]。

文獻(xiàn)[13?14]采用電阻分流式均衡方法，利用開關(guān)控制單體與電阻回路的導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)檢測到單體SOC不一致時(shí)，選通相應(yīng)的開關(guān)進(jìn)行電阻分流。被動(dòng)均衡技術(shù)具有電路設(shè)計(jì)簡單、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在能量損耗熱管理困難、均衡時(shí)間長等問題。主動(dòng)均衡技術(shù)的基本思路是采用開關(guān)器件對(duì)電壓較高的單體進(jìn)行旁路，或者采用電感、電容作為儲(chǔ)能元件利用能量轉(zhuǎn)換器將SOC較高并聯(lián)單體中電荷轉(zhuǎn)移到SOC較低的并聯(lián)單體內(nèi)。

文獻(xiàn)[15]提出了完全分流式均衡方法，其控制方法為通過兩個(gè)開關(guān)對(duì)單體單獨(dú)控制，當(dāng)某節(jié)單體電壓達(dá)到充電限值或接近均衡控制策略參考值時(shí)，單體將從電流路徑中被單獨(dú)斷開，最終實(shí)現(xiàn)單體均達(dá)到滿充狀態(tài)。該方法具有設(shè)計(jì)成本較低、控制方式簡單的優(yōu)點(diǎn)，但隨著被旁路的單體數(shù)量增多，充電機(jī)輸出電壓與電池組額定充電電壓不匹配，電路中必須具備較寬范圍輸出電壓的電源轉(zhuǎn)換器。文獻(xiàn)[16]提出一種基于Buck?Boost變換器的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在每個(gè)相鄰的單體上并聯(lián)均衡模塊實(shí)現(xiàn)電荷由電壓較高單體至電壓較低單體的轉(zhuǎn)移，該方法適合相鄰單體間的均衡，隨著單體數(shù)目的增多均衡速度不斷減慢。文獻(xiàn)[17]提出一種以電感為儲(chǔ)能元件的充放電均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及均衡策略，當(dāng)電池組處于充電狀態(tài)時(shí)，通過將電池組中電壓最高單體的電荷轉(zhuǎn)移到其他單體中，以提高整個(gè)電池組的充電容量。當(dāng)電池組處于放電狀態(tài)時(shí)，采用獨(dú)立電源對(duì)電池組中電壓最低單體進(jìn)行單獨(dú)充電，以提高整個(gè)電池組的放電容量。該方法有效地解決了電池組均衡問題，但充電過程中均衡速度較慢，放電過程中必須配備獨(dú)立電源。傳統(tǒng)的主動(dòng)均衡技術(shù)避免了被動(dòng)均衡技術(shù)中能量損耗、熱管理困難等問題，但是電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜且均衡速度慢。

針對(duì)現(xiàn)有均衡方法存在的不足，本文提出充電模式下動(dòng)力電池組分布式主動(dòng)均衡控制方法，在充電過程中實(shí)時(shí)調(diào)整均衡加速系數(shù)，通過PWM調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)單體充電速率與SOC偏差的線性比例動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。所提出的充電模式下均衡控制方法可實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組在線主動(dòng)均衡，避免了使用過程中單體的過、欠充現(xiàn)象，有效地提高了動(dòng)力電池組的使用效能。

1 ?系統(tǒng)架構(gòu)

由N個(gè)并聯(lián)單體構(gòu)成的分散式主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)如圖1所示，每個(gè)并聯(lián)單體與一個(gè)分布式控制器并聯(lián)，分布式控制器的輸出端串聯(lián)以產(chǎn)生母線電壓，單體及分布式控制器的組合稱之為“智能單體”[18]。系統(tǒng)主電路采用同步4開關(guān)雙向升降壓DC/DC變換器，通過改變?nèi)珮螂娐分虚_關(guān)管M1，M2，M3，M4導(dǎo)通時(shí)序可實(shí)現(xiàn)多模式工作，包含雙向升壓、雙向降壓、雙向升?降壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單體充放電速率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

為保證充電均衡過程中充電電流及放電均衡過程中輸出電壓的穩(wěn)定性和精度，設(shè)計(jì)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。充電均衡模式下電壓外環(huán)控制器負(fù)責(zé)計(jì)算單體電流需求，將[Iset]發(fā)送至電流內(nèi)環(huán)控制器，通過PWM實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流的精確調(diào)節(jié)[19]。系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)均衡模式的使能、充放電模式的切換以及CAN總線數(shù)據(jù)通信。

2 ?均衡管理控制策略

2.1 ?單體SOC估算

高精度的單體SOC估算是實(shí)現(xiàn)均衡控制的前提，已有的SOC估算方法主要包括安時(shí)積分法[20]、內(nèi)阻法、開路電壓法[21]、卡爾曼濾波法[22]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[23]。其中，安時(shí)積分法存在累計(jì)誤差的缺點(diǎn)，精度較低，并且不能確定單體初始狀態(tài)SOC;內(nèi)阻法存在單體內(nèi)阻測量困難的缺點(diǎn);卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法雖然在估算精度上較為準(zhǔn)確，但是算法設(shè)計(jì)較復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用成本較高。綜合考慮算法的實(shí)用性、魯棒性及估算精度，本文采用安時(shí)積分法（OCV）進(jìn)行SOC估算。如圖2所示為不同溫度條件下，本文所使用的容量為2.6 A·h的18650型LiCoMnNIO2單體電池OCV與SOC對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。

2.2 ?充電速率計(jì)算

所提出的充電模式下均衡控制方法的基本思路是根據(jù)單體SOC與平均SOC偏差，動(dòng)態(tài)調(diào)整均衡加速系數(shù)[α]，實(shí)現(xiàn)對(duì)單體充電電流的動(dòng)態(tài)調(diào)整。由于單體充電速率與平均SOC和SOC的差值成正比，[t]時(shí)刻單體SOC與平均SOC間的差異在單體端電壓上的線性表征為：

式中：[IL]為單體充電限值電流;[δ]為機(jī)器周期;[θi（t+1）]為[t+1]時(shí)刻調(diào)節(jié)單體充電電流所需占空比。

充電均衡過程中均衡控制系統(tǒng)依據(jù)均衡控制方法實(shí)時(shí)計(jì)算均衡加速系數(shù)[α]，對(duì)充電電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，完成動(dòng)力電池組充電模式下的均衡控制。

3 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 ?實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的充電模式下動(dòng)力電池組分布式主動(dòng)均衡控制方法的可行性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行充電均衡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成和實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片分別如圖3和圖4所示。

實(shí)驗(yàn)采用由6個(gè)智能單體構(gòu)成的動(dòng)力電池組，智能單體關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)相關(guān)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

3.2 ?充電均衡實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證均衡控制方法在充電模式下的均衡效果，首先在非均衡模式下按照常規(guī)流程進(jìn)行恒流?恒壓充電，具體實(shí)驗(yàn)流程為：

1） ?對(duì)滿充狀態(tài)的6組智能單體分別放電至不同的SOC;

2） 設(shè)置充電電流為0.8 A，充電截止電壓為4 V，充電電壓為24 V;

3） 用USB?CAN連接智能單體與電腦，用于記錄單體端電壓和充電電流數(shù)據(jù);

4） 開啟充電模式，進(jìn)行非均衡實(shí)驗(yàn)。

圖5所示為非均衡模式下6組單體端電壓曲線。由圖5可知，充電過程中，單體SOC出現(xiàn)嚴(yán)重不均衡，電壓極差，由141 mV擴(kuò)大至178 mV，1號(hào)單體電壓已達(dá)到充電截止電壓，充電機(jī)停止對(duì)單體組充電，但是2～6號(hào)單體處于欠充電狀態(tài)。圖6所示為非均衡充電過程中單體端電壓的標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線。標(biāo)準(zhǔn)差由均衡初期0.047增長至末期的0.056，表明6組單體SOC的一致性越來越差。

充電模式下的均衡實(shí)驗(yàn)流程如下：

1） 對(duì)滿充狀態(tài)的6組智能單體分別放電至不同的SOC;

2） 設(shè)置初始充電電流為0.75 A，最大充電電流2 A，充電截止電壓為4 V，充電電壓為24 V;

3） 用USB?CAN連接智能單體與電腦，用于記錄單體端電壓、充電電流數(shù)據(jù);

4） 開啟充電模式，進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)。

圖7所示為均衡過程中6組單體端電壓曲線，整個(gè)充電均衡過程共持續(xù)7 506 s，均衡末期單體極差由均衡初期的140 V降至20 mV，這表明所提出的均衡控制方法有效減小了單體間的不一致性。

圖8所示為均衡充電過程6組單體充電電流曲線。單體充電過程中，均衡控制系統(tǒng)依據(jù)均衡控制方法，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)單體的充電電流，均衡初期6號(hào)單體的充電電流是1號(hào)單體的4.5倍。

圖9所示為充電均衡過程中單體端電壓的標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線。標(biāo)準(zhǔn)差由均衡初期0.05降至末期的0.007，表明6組單體SOC的一致性得到明顯改善。

4 ?結(jié) ?語

針對(duì)充電過程中動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡問題，提出充電模式下動(dòng)力電池組分布式主動(dòng)均衡控制方法，通過在充電過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)加速系數(shù)[α]，實(shí)現(xiàn)單體充電速率與SOC偏差的線性比例動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。在充電模式下對(duì)6組單體進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的均衡控制方法有益效果主要體現(xiàn)在：

1） 避免單體過充現(xiàn)象，解決受電壓最高單體的影響導(dǎo)致其他單體無法達(dá)到滿充狀態(tài)的問題，有效地提高動(dòng)力電池組的續(xù)航能力。

2） 實(shí)現(xiàn)充電模式動(dòng)力電池組的在線主動(dòng)均衡，單體端電壓的標(biāo)準(zhǔn)差由0.05降至0.007。

注：本文通訊作者為葛高瑞。

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