申永鵬，葛高瑞，王耀南，孟步敏

（1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鄭州 450002；2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082）

動力電池組是電動汽車的能量源，也是整車最重要、最昂貴的部件之一。動力電池組常采用多節(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]。由于初始容量、內(nèi)阻、自放電率等單體參數(shù)的差異，以及老化演變規(guī)律的不一致[3]，受串聯(lián)電路基本特性的限制，不同串聯(lián)單體在充放電過程中剩余電量SOC（state of charge）差異不斷擴(kuò)大[4-5]，整個動力電池組的實(shí)際可用容量將不斷減少，最終導(dǎo)致動力電池組循環(huán)使用壽命大幅度降低[6-7]。為消除串聯(lián)單體間SOC 差異對動力電池組實(shí)際可用容量的限制，延長動力電池組的使用壽命，必須對串聯(lián)單體SOC進(jìn)行均衡管理[8]。

現(xiàn)有的動力電池組均衡技術(shù)可分為被動均衡和主動均衡兩大類[9-11]。被動均衡技術(shù)的基本思路是采用電阻等耗能原件將SOC 較高串聯(lián)單體中的電荷消耗掉，直至與其它相串聯(lián)單體的SOC 或者參考SOC 一致[12-13]。文獻(xiàn)[14-15]采用電阻分流式均衡方法，采用開關(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，通過選通相應(yīng)的開關(guān)進(jìn)行電阻分流。被動均衡技術(shù)具有電路設(shè)計簡單、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在能量損耗、熱管理困難、均衡時間長等問題。

主動均衡技術(shù)的基本思路是采用電感、電容作為儲能元件，或者直接采用能量轉(zhuǎn)換器將SOC 較高串聯(lián)單體中的電荷轉(zhuǎn)移到SOC 較低的串聯(lián)單體內(nèi)。由于電力電子技術(shù)的發(fā)展，基于能量轉(zhuǎn)換器的均衡方法應(yīng)用最為廣泛，具體而言能量轉(zhuǎn)換器是指用于單體均衡管理的DC/DC 變換器，文獻(xiàn)[16]通過將隔離DC/DC 變換器的輸入端與單體并聯(lián)、輸出端與低壓輔助負(fù)載并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了對單體SOC 的均衡管理。該方法無需單獨(dú)的大功率DC/DC 轉(zhuǎn)換器，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但是需要與串聯(lián)單體數(shù)量等同的隔離型DC/DC 變換器，成本較高。文獻(xiàn)[17]提出了一種基于Buck-Boost 變換器的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在每個相鄰的單體上并聯(lián)均衡模塊，采用傳統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移式均衡方法實(shí)現(xiàn)電荷由電壓較高單體至電壓較低單體的轉(zhuǎn)移，電荷轉(zhuǎn)移的過程實(shí)為單體間充放電過程，意味著均衡過程中單體組中某兩節(jié)單體存在循環(huán)充放電現(xiàn)象，過多的無效充放電循環(huán)將降低單體的使用壽命，且該方法僅適合相鄰單體間的均衡，并且隨著單體數(shù)目的增多均衡速度不斷減慢。主動均衡技術(shù)避免了被動均衡技術(shù)中能量損耗、熱管理困難等問題，但是電路設(shè)計較為復(fù)雜，并且均衡過程中電荷的轉(zhuǎn)移過程增加了單體充放電次數(shù)，縮短了使用壽命。

針對現(xiàn)有主動均衡方法存在的不足，本文提出了“單體解耦—分散式控制器串聯(lián)”主動均衡控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過在放電過程中實(shí)時調(diào)整分散式控制器母線電壓調(diào)節(jié)系數(shù)α 及均衡加速系數(shù)β，在保證母線電壓穩(wěn)定的前提下，實(shí)現(xiàn)了單體放電速率與SOC 偏差的線性比例動態(tài)調(diào)節(jié)。所提出的分散式主動均衡控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)動力電池組放電過程中的在線主動均衡，避免了傳統(tǒng)電荷轉(zhuǎn)移式均衡方法存在的無效充放電循環(huán)，同時可對母線電壓任意調(diào)整，可滿足不同負(fù)載的工作電壓需求。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

由N 個串聯(lián)單體組構(gòu)成的分散式主動均衡控制系統(tǒng)如圖1 所示，單體組1～N 均由多節(jié)單體電池以并聯(lián)的方式構(gòu)成。N 個單體組分別與一個分散式控制器并聯(lián)，N 個分散式控制器的輸出端以串聯(lián)的方式連接以產(chǎn)生母線電壓，單體組及分散式控制器的組合稱之為智能單體[18]。

圖1 分散式主動均衡控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of distributed active balancing control system

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)通時序可實(shí)現(xiàn)多模式工作，包含雙向升壓、雙向降壓、雙向升壓-降壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單體放電速率的動態(tài)調(diào)節(jié)。

為保證輸出電壓以及放電速率的穩(wěn)定性和精度，設(shè)計了電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)控制器負(fù)責(zé)輸出端電壓ψ 的動態(tài)調(diào)節(jié)，并將Iset發(fā)送至電流內(nèi)環(huán)控制器，通過PWM 實(shí)現(xiàn)對輸出端電壓和放電電流的精確調(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)通訊。

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)單體組均衡管理的前提，綜合考慮算法的實(shí)用性、魯棒性及估算精度，在均衡過程中通過檢測單體電壓、電流參數(shù)，采用OCV（open circuit voltage）—安時積分法對鋰電池SOC 實(shí)時估算。

如圖2 所示為不同溫度條件下，本文所使用的容量為2 600 mA·H 的18650 型LiCoMnNiO2單體電池OCV 與SOC 對應(yīng)關(guān)系曲線。為了便于初始SOC 計算的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，程序中采用81×41 個數(shù)據(jù)點(diǎn)來表述溫度、OCV 和SOC 之間的函數(shù)關(guān)系，并采用曲面插值完成初始SOC 估算。完成單體SOC 估算后，根據(jù)式（1）分別對N 組單體SOC 實(shí)時估算為

圖2 不同溫度條件下OCV 與SOC 對應(yīng)關(guān)系Fig.2 OCV versus SOC under different temperature conditions

式中：SOCi0為第i 節(jié)單體初始狀態(tài)SOC，即第i 節(jié)單體初始狀態(tài)剩余電量，0＜SOCi0＜100%；η 為放電效率；I（τ）為電池瞬態(tài)電流，I（t）＞0 表示放電狀態(tài)，I（t）＜0表示充電狀態(tài)；Cn為單體標(biāo)稱容量；SOHrt為電池健康狀態(tài)，SOHrt=1 表示實(shí)際容量等于標(biāo)稱容量。

2.2 放電速率計算

所提分散式主動均衡控制系統(tǒng)的基本思路是根據(jù)單體SOC 與平均SOC 偏差，線性動態(tài)調(diào)整智能單體輸出電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)單體放電速率的動態(tài)調(diào)節(jié)。由于單體放電速率與SOC 和N 組單體平均SOC 的差值成正比，則t 時刻單體SOC 與平均SOC間的差值在單體端電壓上線性表征為

式中：UMaxL與UMinL分別為智能單體允許輸出最大電壓與最小電壓；α（t）為母線電壓調(diào)節(jié)系數(shù)。在單體組放電過程中，單體端電壓逐漸降低，為保證單體組輸出總電壓穩(wěn)定于負(fù)載工作電壓，必須對N 組智能單體端電壓進(jìn)行升壓操作。α（t）為計算公式為

式中：UL為母線電壓設(shè)定值為t 時刻N(yùn) 組智能單體端電壓之和。由ψi及α（t）可得均衡過程第i 節(jié)智能單體放電電流為

式中：ii（t）為t 時刻第i 節(jié)單體放電電流；I（t）為母線電流。

式中，η[Ei（t），I（t）]為當(dāng)單體電壓為Ei（t）、母線電流為I（t）時分散式控制器的平均轉(zhuǎn)換效率。則N 組智能單體t 時刻輸出電壓分別為

整個均衡過程單體輸出電壓處于動態(tài)調(diào)節(jié)過程，在t 時刻，根據(jù)式（2）、式（4）、式（7）可得N 組單體輸出總電壓為

綜上可知，所提分散式均衡控制系統(tǒng)在保證母線電壓恒定的前提下可實(shí)現(xiàn)對單體組均衡管理。所設(shè)計的動力電池分散式主動均衡控制系統(tǒng)在放電均衡初始狀態(tài)，需依據(jù)負(fù)載額定工作電壓設(shè)置母線電壓UL，以保證智能單體組滿足負(fù)載工作需求。放電均衡過程中，均衡控制系統(tǒng)首先估算單體初始SOC 狀態(tài)，并根據(jù)對式（1）對N 組單體SOCi值實(shí)時估算，同時系統(tǒng)控制器實(shí)時采集N 組單體端電壓，根據(jù)式（4）計算母線電壓調(diào)節(jié)系數(shù)α（t），以保證整個放電均衡過程中母線電壓的恒定。然后系統(tǒng)控制器通過CAN 總線接收N 組單體SOCi，并計算單體組平均值SOC，進(jìn)而依據(jù)單體SOCi與（t）間的差異依據(jù)式（3）實(shí)時計算均衡加速系數(shù)βi（t）；最后，通過母線電壓調(diào)節(jié)系數(shù)α（t）對N 組單體輸出端電壓調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)放電速率的調(diào)節(jié)（式（5）、式（7）），最終實(shí)現(xiàn)單體組的均衡管理。分散式主動均衡控制系統(tǒng)的工作流程如圖3 所示。

圖3 均衡控制流程Fig.3 Flow chart of balancing control

3 試驗驗證

3.1 試驗裝置

為驗證所設(shè)計的動力電池組分散式主動均衡控制系統(tǒng)的性能，搭建試驗平臺進(jìn)行了均衡試驗。試驗臺結(jié)構(gòu)組成和照片分別如圖4 和圖5 所示。

圖4 實(shí)驗臺結(jié)構(gòu)組成Fig.4 Structural composition of experimental platform

圖5 實(shí)驗臺照片F(xiàn)ig.5 Photograph of experimental platform

試驗主要參數(shù)見表1。試驗采用由8 個智能單體構(gòu)成的動力電池組，單體主要參數(shù)見表2。

表1 試驗臺架參數(shù)Tab.1 Parameters of experimental platform

表2 智能單體參數(shù)Tab.2 Parameters of smart cell

3.2 恒阻模式放電均衡試驗

為測試分散式主動均衡控制系統(tǒng)在恒阻模式放電工作情況下的均衡效果，根據(jù)5 個步驟開展試驗：①對8 節(jié)單體分別充電至不同的SOC；②設(shè)置可編程電子負(fù)載電阻參數(shù)為40 ；③設(shè)置母線電壓為40 V；④啟用電子負(fù)載數(shù)據(jù)保存模式，用于記錄均衡過程中母線電壓、電流、功率數(shù)據(jù)。將USBCAN 連接智能單體與電腦，記錄單體電壓、單體輸出端電壓數(shù)據(jù)；⑤開啟加載，進(jìn)行均衡試驗。

圖6 為恒阻模式下8 組單體電壓曲線，整個均衡過程共持續(xù)8 145 s，均衡末期單體極差由均衡初期的330 mV 降至30 mV，單體間SOC 的一致性得到明顯改善。

圖6 恒阻放電過程中8 組單體端電壓Fig.6 Terminal voltage of 8 cells during constantresistance discharging process

圖7 為恒阻模式放電均衡試驗過程中母線電壓及單體端電壓的標(biāo)準(zhǔn)差變化曲線?？梢?，均衡過程中母線電壓與設(shè)定值最大偏差為±0.3 V，表明所設(shè)計的分散式主動均衡控制系統(tǒng)在均衡過程中可維持母線電壓的穩(wěn)定；標(biāo)準(zhǔn)差由均衡初期0.112 5降至末期的0.008 6，表明8 組單體SOC 的一致性得到明顯改善。

圖7 恒阻放電過程母線電壓及8 組單體端電壓標(biāo)準(zhǔn)差Fig.7 Bus voltage and STD of terminal voltages of 8 cells during constant resistance discharging process

3.3 HWFET 工況試驗

為驗證分散式主動均衡控制系統(tǒng)在動態(tài)負(fù)載時的均衡效果，開展了動態(tài)模擬試驗，具體試驗流程為：①對8 節(jié)單體分別充電至不同的SOC；②設(shè)置母線電壓為40 V；③根據(jù)圖8 所示電池負(fù)載功率曲線設(shè)置電子負(fù)載的加載功率；④啟用電子負(fù)載數(shù)據(jù)保存模式，用于記錄均衡過程中母線電壓、電流、功率數(shù)據(jù)，將USB-CAN 連接智能單體與電腦，用于記錄單體電壓、單體輸出端電壓數(shù)據(jù)；⑤開啟加載，進(jìn)行均衡試驗。

試驗過程中HWFET 工況下車速曲線和動力電池負(fù)載功率曲線由Advisor 車輛動力學(xué)仿真軟件輸出，圖8 為HWFET 工況下車速及動力電池負(fù)載曲線Pe[20]。此外，為了匹配所開發(fā)的智能單體組的最大輸出功率，實(shí)際加載功率為Pe/200。圖9 為模擬HWFET 工況試驗過程中，智能單體組實(shí)際輸出電流及功率變化曲線，單個HWFET 工況共766步，每步時長1 s。均衡過程共持續(xù)8 098 s，HWFET工況循環(huán)執(zhí)行了11 次。圖10 為模擬HWFET 工況試驗過程中8 節(jié)單體端電壓曲線，可見，端電壓極差由均衡初期的300 mV 降至均衡末期的40 mV，這表明了單體間SOC 的一致性得到了改善。

圖8 HWFET 工況車速及其電池負(fù)載功率曲線Fig.8 Speed and power profiles of battery load during HWFET driving cycle

圖9 模擬HWFET 工況下功率及電流曲線Fig.9 Power and current curves during simulated HWFET driving cycle

圖10 模擬HWFET 工況實(shí)驗過程中8 組單體端電壓Fig.10 Terminal voltage of 8 cells during simulated HWFET driving cycle

圖11 為模擬HWFET 工況試驗過程中直流母線電壓及8 組單體端電壓的標(biāo)準(zhǔn)差曲線。可見，均衡過程中母線電壓實(shí)際值與設(shè)定值最大偏差為±0.5 V，與恒定負(fù)載放電模式相比略有增加，但是相比單體直接串聯(lián)時由內(nèi)阻造成的電壓波動仍有較大改善；8 組單體端電壓標(biāo)準(zhǔn)差由均衡初期的0.101 降至均衡末期的0.009，表明8 組單體電壓分散度越來越集中，有效地降低了單體SOC 的不一致性。

圖11 HWFET 工況母線電壓及8 組單體端電壓標(biāo)準(zhǔn)差Fig.11 Bus voltage and STD of terminal voltage of 8 cells during HWFET driving cycle

4 結(jié)論

針對動力電池組主動均衡問題，提出了“單體解耦-分散式控制器串聯(lián)”主動均衡控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并通過在放電過程中實(shí)時調(diào)整分散式控制器母線電壓調(diào)節(jié)系數(shù)α 及均衡加速系數(shù)β，實(shí)現(xiàn)了單體放電速率與SOC 偏差的線性比例動態(tài)調(diào)節(jié)。恒阻模式以及模擬HWFET 工況下的試驗結(jié)果表明，所提分散式主動均衡控制系統(tǒng)特性主要體現(xiàn)在以下方面：

（1）有效解決了傳統(tǒng)主動均衡方法存在的無效充放電循環(huán)問題，避免了被動均衡過程能量損耗及熱管理困難問題。

（2）均衡過程可維持母線電壓穩(wěn)定，并可實(shí)現(xiàn)母線電壓的動態(tài)調(diào)整，以滿足不同負(fù)載額定工作電壓需求。

（3）實(shí)現(xiàn)了在線主動均衡，兩種測試模式下，單體端電壓的標(biāo)準(zhǔn)差分別由0.112 5 降至0.008 6 以及由0.101 降至0.009。