吳銳

（重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，重慶400074）

主題詞：動(dòng)力電池 不一致性 均衡控制 均衡變量

0 引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)迅速發(fā)展，作為電動(dòng)汽車(chē)中使用最廣泛的動(dòng)力電池—鋰離子電池成為汽車(chē)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，得到越來(lái)越多的關(guān)注[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，電池外電壓的不同、極化電壓變化不一致、直流內(nèi)阻的大小和荷電狀態(tài)SOC（Stateof charge）不相等給電池組工作造成了很大的影響，是制約電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)發(fā)展的關(guān)鍵因素[2]。均衡控制就是將電池組的不一致程度降到最小，避免各單體電池過(guò)充過(guò)放，使電池工作更高效。在電池均衡控制研究中，研究人員對(duì)均衡控制變量的選擇各不相同，均衡變量是通過(guò)控制電路均衡后能夠達(dá)到一致的電池參數(shù)，選取的原則為可表征電池不一致性、測(cè)量方便、且具有較高的精度[3]。不同的電池參數(shù)作為均衡變量對(duì)應(yīng)的均衡控制方法有所不同，最終的均衡效果也存在很大的差異[4]。在對(duì)電池的不一致性分析和各變量的討論后，提出更加合理的均衡控制策略，提高均衡效率、減小均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量，為電池組的高效均衡提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持，使純電動(dòng)汽車(chē)大容量電池的在線(xiàn)均衡成為可能。

1 不一致性分析

動(dòng)力電池組的不一致性主要由初始狀態(tài)和性能衰退速度2個(gè)方面造成的[5]。在電池的生產(chǎn)過(guò)程中，有很多工藝流程，每一環(huán)節(jié)的微小變化累積起來(lái)都會(huì)對(duì)電池初始性能帶來(lái)很大的影響。

在使用過(guò)程中各電池的環(huán)境溫度，通風(fēng)條件的不同會(huì)影響電池的散熱性能，在同一電池組中不同的溫度采集點(diǎn)得到的溫度差最高可達(dá)10℃，這會(huì)導(dǎo)致電池性能以不同的速度衰退，長(zhǎng)期如此，電池之間不一致性將會(huì)越來(lái)越大。

電池生產(chǎn)、使用和儲(chǔ)存的不同會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)阻存在差異性，出現(xiàn)不同程度的自放電現(xiàn)象，從而影響放電深度，使不一致性加劇。

在電池組中，初始容量不同時(shí)，小容量并且內(nèi)阻大的單體就會(huì)出現(xiàn)過(guò)度充放電的現(xiàn)象，在相同的充放電參數(shù)下，該電池的衰減將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)組內(nèi)其它單體，經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)，整體電池組的性能將加速衰退。

電池的初始性能和后期使用環(huán)境的不同將導(dǎo)致電池的充放電倍率、工作電壓、內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)速度和狀態(tài)都存在差異性[6]。

電池之間的不一致性參數(shù)在實(shí)際的工作中并不是相互獨(dú)立的，各因素之間的相互耦合性，最終導(dǎo)致了不一致擴(kuò)大的正反饋效應(yīng)。

2 不一致性影響

2.1 電池容量

電池B1和B2初始容量均為100 A·h，測(cè)得B1充電效率為99.9%，B1充電效率為99.8%，兩者相差0.1%，經(jīng)循環(huán)試驗(yàn)后得到結(jié)果如下：

經(jīng)過(guò)100次循環(huán)后：

經(jīng)過(guò)200次循環(huán)后：

僅0.1%的差距，經(jīng)過(guò)多次充電循環(huán)后，容量就出現(xiàn)了巨大的變化。在充電時(shí)，小容量電池最先充滿(mǎn)，從而限制了電池組的充電容量，放電時(shí)此電池電量最先放完，而電池組中其他電池的電量還未被充分利用。

2.2 輸入輸出功率

在充電過(guò)程中，電池組中SOC偏高會(huì)使充電電流下降，這使得充電時(shí)間增加，導(dǎo)致其他電池未充滿(mǎn)現(xiàn)象出現(xiàn)；放電過(guò)程中，為了防止過(guò)放電，SOC較低的電池首先放完電，這就限制了整組電池的輸出功率，明顯降低了車(chē)輛的動(dòng)力性和電池組的使用效率。

2.3 電池組狀態(tài)估算

車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，呈現(xiàn)給駕駛者的是電池組的剩余荷電狀態(tài)SOC，如果每個(gè)單體之間存在較大的容量和SOC差異時(shí)，電池組的SOC和SOE估算非常復(fù)雜，并且難以保障估算準(zhǔn)確性，這會(huì)傳遞錯(cuò)誤信息，降低駕駛安全性和體驗(yàn)感。

電池的不一致性對(duì)其性能造成了很大的影響，所以需要對(duì)均衡參數(shù)分析對(duì)比并據(jù)此進(jìn)行均衡，使電池組內(nèi)容量、能量充分利用。

3 電池均衡

電池的均衡就是在電池組運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)傳感器采集均衡變量的信息，判斷電池狀態(tài)參數(shù)的不一致性，通過(guò)系統(tǒng)中的均衡策略對(duì)各單體電池進(jìn)行能量均衡，對(duì)能量較高的電池進(jìn)行耗能，對(duì)能量較低的電池補(bǔ)充能量，或者通過(guò)控制電路將高出的能量轉(zhuǎn)至能量低的電池中，使電池組整體狀態(tài)參數(shù)保持較高的一致性[7]，均衡過(guò)程如圖1所示[8]。

圖1 均衡電路結(jié)構(gòu)[8]

4 均衡變量的選取

均衡變量即判斷電池組狀態(tài)是否一致的特征參數(shù)，主要有開(kāi)路電壓、工作電壓、SOC和剩余可用容量、最大可用能量。通過(guò)均衡系統(tǒng)使變量參數(shù)不一致程度達(dá)到最小，甚至消除。

4.1 開(kāi)路電壓作為均衡變量

圖2 電池電壓分布

在最開(kāi)始對(duì)均衡控制的研究中，大多數(shù)都是采用基于單體電池開(kāi)路電壓的均衡。吉林大學(xué)汽車(chē)仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，Zhang[9]等人利用電池之間的開(kāi)路電壓的差異來(lái)衡量電池組的一致性，在分析各單體電池開(kāi)路電壓范圍和分布情況后制定均衡策略。通常情況下，電池組中開(kāi)路電壓呈現(xiàn)正態(tài)分布[10-11]，如圖2所示。

在充放電過(guò)程中以開(kāi)路電壓作為均衡變量，首先計(jì)算出平均電壓，如式（1）：

再計(jì)算電壓極差，電壓極差可以反映電池組一致性情況，如式（2）。

根據(jù)電壓極差的大小確定均衡控制區(qū)間△U，如圖3所示，其中0＜△U＜r，進(jìn)行高放低充，使電池組電壓趨于一致，避免了對(duì)單體電池頻繁均衡。根據(jù)計(jì)算電壓方差，如式（3）：

圖3 確定均衡控制帶

可以檢測(cè)均衡效果。電壓方差越小說(shuō)明電壓分布的分散度越小，均勻度越好，均衡效果越明顯?；陂_(kāi)路電壓的均衡判斷過(guò)程如圖4所示。

以開(kāi)路電壓作為變量的均衡控制實(shí)施起來(lái)簡(jiǎn)單，只需要測(cè)量電池的開(kāi)路電壓，確立均衡控制區(qū)間，通過(guò)判斷測(cè)得電壓與控制帶之間的關(guān)系就能完成均衡過(guò)程。電池的開(kāi)路電壓易于測(cè)量，而且與電池SOC之間存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[12]。當(dāng)開(kāi)路電壓通過(guò)均衡達(dá)到一致時(shí)，SOC也會(huì)基本保持一致，通過(guò)定義可知SOC是最能表現(xiàn)電池容量的參數(shù)，這就使得電池容量能夠被充分利用，避免了過(guò)充過(guò)放。當(dāng)電池處于靜置狀態(tài)時(shí)，選擇開(kāi)路電壓作為均衡變量能夠達(dá)到高精度的均衡結(jié)果。

圖4 均衡判斷流程

但是基于開(kāi)路電壓的均衡控制存在一定的缺陷，容易受到電池本身參數(shù)和其他外部因素的影響。如B1，B2內(nèi)阻不同，充電時(shí)u1＞u2，需對(duì)B2充電；放電時(shí)u1＜u2，需對(duì)B2放電。均衡對(duì)象在不斷的變化，但并沒(méi)有調(diào)整各電池狀態(tài)，沒(méi)有效果且增加了均衡系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。開(kāi)路電壓只能在非運(yùn)行狀態(tài)下獲取，所以不能實(shí)時(shí)在線(xiàn)均衡，降低了均衡效率。電池開(kāi)路電壓具有非常小的變化區(qū)間，通常只有幾毫伏，故對(duì)均衡采集精度要求很高。開(kāi)路電壓與SOC對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系會(huì)因?yàn)殡姵匦吞?hào)和廠(chǎng)商的不同有所區(qū)別，如果電池組中所有單體電池不是同一類(lèi)型，同一型號(hào)，則需要OCV-SOC關(guān)系重新標(biāo)定，帶來(lái)的誤差將會(huì)更大。

4.2 工作電壓作為均衡變量

工作電壓即電池輸出電流時(shí)正負(fù)極的電位差。東京理科大學(xué)的Daiki Satou和Nobukazu Hosh[13]將工作電壓作為均衡變量，獲取工作電壓可以直接測(cè)量，相比較開(kāi)路電壓，工作電壓具有更大的變化區(qū)間，這樣采集電路的精度要求就沒(méi)那么高，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。在電池組充放電過(guò)程中，通常是將工作電壓作為充放電截止電壓，這樣通過(guò)均衡控制，就能很好的保證不會(huì)過(guò)度充放電，并且能夠最大程度利用電池組容量。當(dāng)組中電池老化程度不一致時(shí)，對(duì)于那些老化程度較大，且內(nèi)阻較大的單體，用工作電壓進(jìn)行均衡，可以在未完全放電的時(shí)候使電池SOC變化比其他單體小，這樣防止電池濫用，延長(zhǎng)了使用壽命。開(kāi)路電壓可以實(shí)時(shí)采集，這樣就能實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)均衡，提高均衡效率。

工作電壓作為均衡變量的缺陷也很明顯。由于車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中工況很復(fù)雜，所以可能瞬時(shí)高倍率放電，也有可能瞬時(shí)停止供電，這樣在電路中電流出現(xiàn)較大的波動(dòng)，從而引起工作電壓變化起伏很大，此時(shí)均衡系統(tǒng)會(huì)因?yàn)殡妷旱牟▌?dòng)而頻繁的開(kāi)啟關(guān)閉，損耗巨大[14]。這就要求均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加合理化，智能化，具有較強(qiáng)的均衡能力。工作電壓與SOC不具備較好的一致性，當(dāng)電池的SOC處于較高或者較低時(shí)，工作電壓變化很大，需要較高的均衡能力和效率；電池SOC處于中間階段時(shí)，工作電壓變化較小，需要高精度的采集系統(tǒng)，給均衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的困難。

4.3 SOC作為均衡變量

SOC即電池荷電狀態(tài)。SOC作為最接近電池容量的參數(shù)，使得均衡電路具有更高的效率。

對(duì)電池組內(nèi)每一個(gè)單體進(jìn)行SOC識(shí)別，計(jì)算平均SOC，以平均SOC為目標(biāo)，同時(shí)確立均衡控制區(qū)間ΔSOC，在區(qū)間內(nèi)不均衡，高于或低于區(qū)間的需放、充電，這樣可以提高均衡效率，充分發(fā)揮了充放電均衡優(yōu)勢(shì)。

Yuang-Shung[15]和韓國(guó)全北國(guó)立大學(xué)的Novie Ayub Windarko[16]選擇SOC作為均衡變量，這樣只需識(shí)別電池的SOC，無(wú)需識(shí)別最大可用容量和所需均衡電池的位置。在充放電過(guò)程中，同時(shí)讓單體電池達(dá)到截止電壓，容量利用率高，且避免了不一致對(duì)電池組狀態(tài)識(shí)別的影響。所有的單體電池均衡過(guò)后SOC保持一致，故單體SOC就可看作整個(gè)電池組的SOC。通過(guò)均衡保持SOC保持一致，就是保證了所有電池放電狀態(tài)時(shí)相同的，放電深度一致，這樣就能避免各單體的老化速度存在差異。

基于SOC的均衡控制策略最大的問(wèn)題就是如何做到高精度、高效率的實(shí)時(shí)估算[17]。精度高的估算方法效率低，需要大量的數(shù)據(jù)計(jì)算，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，模糊控制法等，計(jì)算量小的精度達(dá)不到要求，帶來(lái)較大的估算誤差，如安時(shí)法，開(kāi)路電壓法。在開(kāi)始進(jìn)行充電時(shí)，SOC值比較接近，差異性較小，此時(shí)應(yīng)準(zhǔn)確識(shí)別，并進(jìn)行均衡。如果到了充放電中期，SOC差異性較大，對(duì)均衡能力要求就會(huì)更高。

此外，電池老化情況不同時(shí)，SOC經(jīng)過(guò)均衡達(dá)到一致后，繼續(xù)充放電，SOC的變化又會(huì)出現(xiàn)快慢的情況，需要再次啟動(dòng)均衡系統(tǒng)，開(kāi)啟頻繁，損耗大。

4.4 剩余可用容量作為均衡變量

電池組的剩余可用容量始終小于或者等于組內(nèi)最小容量電池的剩余可用容量[18]，所以均衡目標(biāo)就是使電池組的可用容量等于組內(nèi)最小容量電池的剩余可用容量[19]。

與SOC作為均衡變量不同的是，SOC經(jīng)過(guò)均衡后，在面對(duì)老化程度不一致的電池時(shí)，繼續(xù)充放電，又會(huì)出現(xiàn)不一致現(xiàn)象。而剩余可用容量作為均衡變量后，所有電池的容量都保持一致，不會(huì)再出現(xiàn)容量差異的現(xiàn)象，而且不會(huì)對(duì)某一電池進(jìn)行過(guò)度放電，容量小的電池也不會(huì)成為電池組中的“短板”。

剩余可用容量受到各單體容量不同和容量衰減問(wèn)題的影響在線(xiàn)估算存在較大的難度，無(wú)法做到實(shí)時(shí)在線(xiàn)均衡。且目前的估算方法達(dá)不到較高的精度，估算誤差會(huì)使均衡效果不好。

4.5 最大可用能量作為均衡變量

為了實(shí)現(xiàn)電池組存儲(chǔ)的能量最大化，均衡的作用就不僅僅是將容量最小的電池滿(mǎn)充滿(mǎn)放，將電池容量充分利用，而且還要將組內(nèi)全部電池充滿(mǎn)電，將存儲(chǔ)的能量達(dá)到最大化[20]，如下電池容量所示[21]。

電池組最大充電容量85 A·h，充電結(jié)束，電池1剛好充滿(mǎn)，電池2和電池3則需要均衡充電，電池1均衡容量為5 A·h，電池2均衡容量為10 A·h。利用電池組最大可用能量為均衡變量時(shí)，電池組最大可用容量也實(shí)現(xiàn)最大化，達(dá)到90 A·h，且所有電池都充滿(mǎn)電，電池組的能量實(shí)現(xiàn)了最大化。利用最大可用能量均衡具有較好的穩(wěn)定性，其評(píng)價(jià)結(jié)論并不隨電池荷電狀態(tài)和工作電流的變化而變化，可有效地防止均衡對(duì)象發(fā)生變化。

電池組的最大可用能量和電池的最大可用容量和SOC相關(guān)，所以存在相同的問(wèn)題，即難以準(zhǔn)確估算和實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)定。對(duì)常見(jiàn)的5種均衡變量進(jìn)行分析對(duì)比，得到結(jié)果如表1。

表1 均衡變量對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

均衡變量的選取對(duì)均衡效果有很大的影響，通過(guò)對(duì)5種變量的分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)，單一的變量都存在很明顯的缺陷，所以基于一個(gè)變量的均衡策略無(wú)法達(dá)到令人滿(mǎn)意的均衡效果。在后續(xù)對(duì)均衡控制的研究中：

（1）應(yīng)該對(duì)現(xiàn)在的均衡策略進(jìn)行優(yōu)化；

（2）更重要的是將均衡變量結(jié)合，進(jìn)行多變量混合均衡控制,這樣可以避免單變量不穩(wěn)定帶來(lái)的影響；

（3）也可以對(duì)其進(jìn)行分時(shí)段均衡，利用不同均衡策略適用的工況分為靜置、充電和放電。充分發(fā)揮各種策略的優(yōu)勢(shì)，使得均衡效果達(dá)到最好。