劉木林，卜凡濤，林 輝，孫 洋

（東軟睿馳汽車技術（沈陽）有限公司，沈陽 110000）

0 引言

隨著國內及國際上電動汽車產業(yè)的快速發(fā)展，如何提高動力電池的使用效率、延長動力電池組的使用壽命成為一個關鍵的問題[1]。而動力電池在使用的過程中會出現(xiàn)單體電量不一致的現(xiàn)象，進而降低了整個電池組的可用容量和動力性，同時也縮短了動力電池組使用壽命[2]。傳統(tǒng)的方法是采用被動均衡方案解決這一問題。但是傳統(tǒng)的被動均衡方案由于均衡的電流非常小，往往不能夠消除動力電池在使用中產生的單體電量不一致的問題[3]。如果采用主動均衡方案的話，由于主動均衡的電流較大，所有可以在短時間內消除單體電池的電量差異。但是同時使用主動均衡又引入了另外一些問題，比如均衡系統(tǒng)復雜、安全性與可靠性無法保證、增加系統(tǒng)成本等問題。本文旨在介紹一種電動車泊車狀態(tài)下的電池均衡方案[4]。本方案仍然采用被動均衡作為基礎，這樣就保證了整個系統(tǒng)的安全可靠性，同時制造成本沒有明顯提升。針對被動均衡電流小的問題，本方案采用了延遲均衡時間的方法，在一定時間內能夠均衡更多的電量[5]。本方案采用分布式的信號采集系統(tǒng)，在泊車狀態(tài)下主控制單元進入休眠狀態(tài)從而減少耗電，信號采集及均衡控制單元全天候工作，在泊車狀態(tài)下也能以低功耗狀態(tài)以預設的控制邏輯和參數進行工作[6]。預期達到的效果是在動力電池一致性較差的車輛上配備本系統(tǒng)，電動車輛經過一個月的常規(guī)使用后電池的一致性差異能夠達到新車出廠的檢驗標準。

1 研究意義

電動汽車的動力電池組一般由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成。由于單體電池間性能存在差異，同時由于電池系統(tǒng)設計問題，不同單體電池的使用溫度等條件也存在差異性，這些因素都造成了電動車在使用一段時間后會出現(xiàn)單體電池間的電量差異的情況[7]。根據木桶原理，整個電池組的電量由最低的單體電池的電量決定[8]。因此對于動力電池組的均衡功能至關重要，它可以提高電池組的實際可用電量，提高動力電池組的功率型，延長動力電池組的使用壽命。

對于動力電池組的均衡方案，按電量耗散類型可以分為主動均衡和被動均衡兩種[9]。主動均衡的基本原理是對電量低的單體電池進行充電[10]。硬件結構上一般利用一些儲能器件如電感、電容、變壓器等，將整個電池組的電量搬運到低電量的單體電池上。它的優(yōu)勢是能量利用效率高，均衡能力強[11]。但是也存在明顯的劣勢：結構復雜，系統(tǒng)的可靠性降低；占用空間較大，對于小型乘用車不利于安裝布置；成本非常高。被動均衡的基本原理是對電量高的單體電池進行放電，從而是所有單體電池的電量達到相對一致的程度[12]。電路結構上也非常簡單，就是在每個單體電池上并聯(lián)一個耗散電阻和開關。它的優(yōu)勢是結構簡單、系統(tǒng)可靠性高；占用空間小，易于安裝布置；制造成本低。同時也存在一個非常明顯的缺點，均衡電流非常小，均衡能力有限。

雖然被動均衡的電流小，但不代表均衡的電量就一定小。根據電量計算公式Q=I×T（Q為電量；I為電流；T為時間），如果想得到更多的電量，除了提高電流之外，還有一個途徑是延長時間。傳統(tǒng)的均衡系統(tǒng)由于使用車載12 V鉛酸電池的電量，同時系統(tǒng)的功耗較大，因此只能在車輛上電的狀態(tài)下（車輛行駛或充電的過程）才能進行均衡。因此可利用的時間非常有限。而實際在車輛使用過程中，行駛和充電只占很少的時間，大部分時間車輛處于停泊狀態(tài)。如果能在車輛停泊的時間里進行均衡，那么會大大提高被動均衡系統(tǒng)的均衡電量。本文接下來就要詳細說明一種在停泊狀態(tài)下可進行均衡功能的系統(tǒng)。

2 電池均衡系統(tǒng)架構

圖1所示為支持泊車狀態(tài)下工作的電池均衡系統(tǒng)架構。其中包含兩個關鍵的控制單元，即BIC和BMU，對它們的功能描述如下。

圖1 支持泊車狀態(tài)下工作的電池均衡系統(tǒng)架構

（1）BIC：電池信息采集單元。本系統(tǒng)中包含3個BIC，如圖中所示的BIC1、BIC2、BIC3。它們的主要功能是采集動力電池組中串聯(lián)單體電池的電壓、電池溫度，對單體電池均衡進行，對電路板上的均衡區(qū)溫度進行控制。供電電源是動力電池組。該控制單元使用的核心芯片為NXP33775。

（2）BMU：電池管理單元。主要進行單體電池剩余電量的計算，均衡剩余時間的計算，其他均衡相關參數的計算。BIC和BMU之間的通信采用菊花鏈通信方式，同時該通信方式也具有喚醒的功能。

3 控制策略

泊車狀態(tài)下的均衡是依靠BIC電路板上的芯片（NXP3375）中的固有程序自動運行的。但是BIC在泊車狀態(tài)下均衡的控制參數都是在BMU工作的時候進行計算并發(fā)送給BIC的。因此整個均衡控制策略分為行車/充電狀態(tài)和泊車狀態(tài)兩個部分。下面就分別對這兩個部分的控制邏輯進行詳細說明。

在行車或充電狀態(tài)下，均衡控制流程如下：車輛上電后，BIC首先要采集電池的溫度、電壓等信息并通過菊花鏈通信發(fā)送給BMU。然后BMU要進行一系列的計算得出每個單體電池的均衡剩余時間。接著就是對單體電池進行均衡并計時，如果均衡期間有嚴重等級的故障（如單體電壓過低、溫度過高等）則停止均衡，均衡時間到之后推出均衡。當接收到車輛發(fā)送來的下電請求信號后，BMU將均衡控制參數（包括均衡剩余時間，溫度控制閾值，單體電壓截止閥值等）通過菊花鏈通信發(fā)送給BIC。最后BMU進入休眠狀態(tài)。具體流程如圖2所示。

圖2 行車或充電狀態(tài)下的均衡控制流程

在泊車狀態(tài)下，均衡控制流程：低壓下電后首先判斷剩余的均衡時間是否大于T1（根據電池及均衡系統(tǒng)的參數設定），其意義是如果在短時間內可完成均衡那就不用開啟泊車均衡功能，只在行車或充電狀態(tài)下均衡即可。然后BIC就按照預置的控制策略進行均衡控制。具體流程如圖3所示。對于預置的均衡策略及參數的說明如下。

圖3 泊車狀態(tài)下的均衡控制流程

（1）基于時間的泊車均衡方式。單體電池均衡過程中進行計時，該時間由BMU計算并發(fā)送給BIC，計時時間到達后則關閉該單體電池的均衡。

（2）低電壓停止均衡。均衡的過程中，當有任意單體電壓達到最低電壓時，停止所有單體電池的均衡。

（3）避免深度放電，均衡最長時間限制。設定一個最長的均衡時間，當有一個單體電池均衡時間大于該值時所有均衡停止。

（4）延遲啟動均衡控制。有些情況下，電池的溫度較高，需要等待一定時間，當電池溫度降下來之后才允許做均衡。

（5）均衡區(qū)溫度控制。均衡的過程中，當均衡區(qū)溫度大于一定值（由BIC電路設計參數決定），則暫停均衡；當均衡區(qū)溫度小于一定值（由BIC電路設計參數決定），則重新開啟均衡。這里采用滯環(huán)控制，使均衡區(qū)溫度在一定范圍內波動。

（6）均衡電流的PWM控制。如果硬件設計的均衡電流較大時，可使用該功能使實際的均衡電流變小，從而減少均衡電阻的發(fā)熱量。

最后是均衡結束并喚醒系統(tǒng)的時間設置。當所有單體的均衡時間都歸為0時，需要對BMS系統(tǒng)進行喚醒。目的是喚醒后需要BMS系統(tǒng)檢驗本次泊車均衡的效果，如果達到均衡的預期目標則BMS可以進入完全休眠的狀態(tài)，如果沒有達到均衡預期目標則需要BMS進行下一次泊車均衡相關參數的計算，開啟下一個泊車均衡循環(huán)。這里需要注意由于系統(tǒng)一次最多支持到45 h的泊車均衡，因此如果均衡時間大于45 h的需要在45 h到達后喚醒一次BMS系統(tǒng)，然后再進行下一次泊車均衡循環(huán)。

4 電池均衡能力計算

以一個200 A·h的純電動汽車作為參考，對比傳統(tǒng)的均衡方案和支持泊車均衡方案的均衡能力。假設在電路設計上兩者的均衡電流都是30 mA。實際上由于在泊車均衡中信號采集的頻率較低、無需診斷占用時間，所以泊車均衡的有效均衡電流會大于傳統(tǒng)均衡方案。

對兩種方案的均衡時間進行估計，按一個月的時間內進行計算。傳統(tǒng)均衡方案下，車輛每天使用2 h，每月充電5次，每次充電6 h。那么總共可進行均衡的時間為90 h。均衡的電量為30 mA×720 h=21.6 A·h，換算為SOC為10.8%。而本設計，在泊車狀態(tài)也可以均衡，基本上可以做到一個24 h均衡，則一個月的總的均衡時間可達到720 h。均衡的電量為30 mA×720 h=21.6 A·h，換算為SOC為10.8%。

表1 均衡能力對比表

動力電池的不一致性通過最高單體SOC和最低單體SOC的差值來表示。造成電池不一致的原因有很多，例如不同單體電池的自放電率不一樣，使用溫度等環(huán)境條件不一致，電池出廠時由于制作工藝導致的差異性等。一般條件下電池的不一致性為每個月SOC差異在2%～3%，極端差的條件下不一致性甚至可以達到10%。因此可以看出，傳統(tǒng)的均衡方式月均衡量為1.35%，只能滿足較好的電池使用條件下產生的差異，隨著電池使用時間的增加或在惡劣環(huán)境下使用，這種均衡方式是不能滿足動力電池使用要求的。而本方案延長了均衡時間，月均衡量達到10.8%，即使電池在最惡劣的條件下使用，也能夠消除電池的不一致情況。

5 均衡效果對比實驗與分析

為了驗證本系統(tǒng)的均衡效果，使用兩輛純電動汽車分別搭載傳統(tǒng)均衡系統(tǒng)和本方案的均衡系統(tǒng)做一個月的對比實驗。兩輛電動車除了均衡系統(tǒng)不同之外，其他條件均相同，使用條件也相同。動力電池的容量為205 A·h，人為設置兩個電池組的電量差異都是8%。使用情況為每天市區(qū)通行約2～3 h，大約5天時間使用慢充樁充一次電。在一個月的時間內，每天記錄電池組的電量差異（ΔSOC）情況，記錄如表2所示，其中ΔSOC1為傳統(tǒng)均衡系統(tǒng)的電量差異，ΔSOC2為本方案均衡系統(tǒng)的電量差異。

表2 均衡效果測試數據對比表

根據以上實驗數據繪制成電量差異（ΔSOC）與時間相關的圖形，如圖4所示。可以看到使用傳統(tǒng)均衡系統(tǒng)的電池組電量差異ΔSOC1始終以緩慢的速率下降。30天過程中，ΔSOC從8%下降到6.4%，均衡消除的電量差異為1.6%。傳統(tǒng)均衡方案在進行了30天的均衡后電池組還有6.4%的電量差異，不能滿足消除電池組電量差異的需求。而使用本方案的均衡系統(tǒng)的電池組電量差異ΔSOC2的速率下降則非常快，大約以每天0.3%的速率在下降。到達第22天時ΔSOC2已經下降到2%，由于電池組出廠檢驗的ΔSOC容許差異為2%，因此到達這一數值后就不再進行均衡操作了。第22天到第30天的這8天內，ΔSOC2偶爾上升到2.1%，也都能夠及時的開啟均衡，使ΔSOC2始終維持在2%以內。

圖4 兩種方案下的均衡效果對比

6 結束語

與傳統(tǒng)的均衡方案相比，本方案在不大幅增加制造成本，保證系統(tǒng)安全可靠性的前提下，能夠大幅提高系統(tǒng)的均衡能力。從系統(tǒng)架構可看出，在硬件結構上本方案只升級了采集控制芯片，除此之外沒有額外的增加制造成本。在泊車狀態(tài)下的均衡控制策略方面，加入了多重的安全冗余控制，如均衡剩余時間約束、最低單體電壓約束、均衡區(qū)溫度約束等，保證了系統(tǒng)的安全性，實際的測試過程中也沒出現(xiàn)過安全方面的問題。最重要的是通過本文對不同方案均衡系統(tǒng)的均衡能力的計算及實際測試結果顯示，本方案額外利用了泊車狀態(tài)下的時間進行均衡，彌補了傳統(tǒng)均衡方案均衡電流較小的缺陷。實驗結果顯示，即使在電池一致性最差的條件下，經過不到一個月時間的均衡，也能達到電池組出廠檢驗時的要求，達到了預期效果。