动力电池均衡控制技术研究进展

唐国鹏，赵光金，吴文龙

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州450052；2.河南恩湃高科集团有限公司，河南郑州450052；3.国家电网公司电网废弃物资源化处理技术实验室，河南郑州450052)

动力电池均衡控制技术研究进展

唐国鹏1,2,3，赵光金1,3*，吴文龙1,3

(1.国网河南省电力公司电力科学研究院，河南郑州450052；2.河南恩湃高科集团有限公司，河南郑州450052；3.国家电网公司电网废弃物资源化处理技术实验室，河南郑州450052)

对动力电池组内的不一致性进行均衡是电池管理系统的重要功能。国内外技术人员对动力电池均衡控制进行了大量的研究，均衡方法主要可以分为主动式均衡和被动式均衡。介绍了各类均衡方法的功能特点，包括基于电压和基于荷电状态的均衡控制策略，在此基础上讨论了这些方法在应用中的优缺点，分析了当前研究有待深化的地方，对均衡的发展趋势进行了展望。

动力电池组；电池管理系统；均衡控制

由于锂电池的单体电池电压较低，在使用过程中，特别是应用于电动汽车的场合中，单体电池需要几支乃至上百支串联成电池组方可使用。由于受单体动力电池自身的原材料、制作工艺等因素的制约，再加上动力电池组工作环境的影响，动力电池单体间出现不一致性是必然的。因此，动力电池均衡控制管理是非常重要的，不仅可以提高动力电池组的整体有效能量，还可以在一定程度上提高电池组的使用寿命。

1 均衡方法分类

目前动力电池均衡方法有很多，而且新方法层出不穷，大体上来说，现有均衡方法按照均衡原理可分为主动式均衡和被动式均衡。被动式均衡分为硬件方案和软件方案，主动式均衡又可分为开关电容法和DC-DC变流器法。图1总结了不同的均衡方法及其架构。

图1 均衡方法框架图

1.1 被动式均衡

被动式均衡，它的结构和控制策略均较为简单，被动式均衡的原理：通过与电池单体连接的电阻，将高于其它单体的能量释放，以达到各单体的均衡。电阻耗散式均衡是一种典型的被动式均衡。图2是电阻耗散式均衡的电路拓扑结构。

如图2所示，每一节单体电池并联一个分流电阻，某节单体电池(B1)电压高于其他电池，当其与其他电池电压差达到某值时，开关K1导通，电池B1通过分流电阻R1放电，使B1电压降低，如此循环往复实现电池组各单体电池间的均衡。该方案结构简单、可靠，控制策略复杂度低，放电速度快，可多个电池单体同时放电。缺点是：均衡过程中，分流电阻消耗了动力电池组的能量，均衡效率较低，难以适应快速均衡的要求。被动式均衡已经不能代表动力电池均衡技术的主流发展方向[1-4]。

图2 电阻耗散式均衡电路

1.2 主动式均衡

主动式均衡又称能量转移法，在充放电时，通过某种介质把能量从电压较高的电池转移给电压较低的电池，从而实现动力电池组的均衡充放电。按照转移介质的不同，能量转移法可分为开关电容法和DC-DC变流器法。

1.2.1 开关电容法

开关电容法是在每两个相邻的单体电池之间通过开关器件与一个电容并联，在充放电过程中，通过切换开关，控制电容器存储释放能量，以实现能量在电池间的转移。

如图3所示，通过控制开关器件驱动信号PWM的占空比实现相邻两个电池之间能量的传递。例如若蓄电池单体容量B1高于B2，G1开通G2关断时，电容C1和电池单体B1并联，B1将能量传递给C1；G1关断G2开通时，电容C1和电池单体B2并联，C1将能量传递给B2，完成这个周期内的能量传递。以此类推，通过控制开关器件的开通与关断，利用电容实现能量的逐个传递。

图3 开关电容法结构图

该方法控制简单，可实现充电和放电均衡，如果要在电池组最前端和最末端的电池间均衡则需要能量层层传递，均衡效率较低。

为解决串联锂电池组的充放电均衡问题，提高电池组的使用寿命，黄勤等人[5]在电容均衡的基础上改进了一种双向无损均衡方法，电池组均衡结构如图4所示。

图4 电池组均衡结构图

图4中的无损均衡模块由小电感、能量转移电容、二极管和电力MOSFET组成。2节电池间的能量转移主要通过电容实现。该方案均衡效果较好，系统结构简单，维护扩展方便，节约能源，均衡效率较高，为超大容量的串联电池组提供了无损均衡充放电管理的解决方案。

1.2.2 DC-DC变流器法

DC-DC变流器法按照均衡电路的拓扑结构分为集中式均衡和分布式均衡，集中式均衡根据均衡器处理能量的可能流向分为单向均衡和双向均衡。

理论上讲，DC-DC变流器法没有能量损耗，均衡速度快，是目前国内外主流的均衡方法。

(1)集中式变压器均衡法

利用多副边变压器可以实现集中式均衡控制，此种均衡方法可分为单体到组、组到单体、双向三种模式。

如图5所示，变压器原边接电池组两侧，副边每个线圈对应一节电池，各副边线圈匝数相同。当系统检测到低电压电池单体的时候，电池组侧的变压器功率开关导通，原边绕组通过电流，能量储存在变压器线圈中，开关断开时，变压器储存的能量释放到单体电池，电压越低的电池单体能够获得的能量越多，实现整个电池组的均衡。

图5 集中式均衡控制

这种均衡结构的优点是：均衡速度快，均衡电流大，能量损耗小。缺点是：当电池组串联数多的时候，低压绕组到各单体电池的导线长度和形状不同，变比存在差异，均衡误差较大；变换器与电池组之间的功率导线布线复杂，电子元器件多，不利于模块化。

随着对均衡研究的不断深入，人们对于均衡效率、均衡速度有了更高的目标。在提高均衡效率方面，杜韦静等人[6]在集中式变压器均衡的基础上，通过外接电源，实现电池组在充电基础上的实时均衡，如图6所示。通过控制功率开关管的通断，可以较为精确地调整副边电压；保证与串联电池数多的电池组中各电池单体并联的各副边得到基本一致的电压，使能量最小的单体吸收最多的能量，达到均衡的目的，从而有效地提高均衡效率。

(2)分布式变压器均衡法

所谓分布式变压器均衡技术，就是电池组中串联的每一个单体电池都有一套专门的均衡模块且相互独立，分别控制进行充电，每个充电回路互不影响，灵活度高，易于实现模块化，方便电池组的扩展。该均衡技术的缺点是：需要大量的功率器件，因此控制信号多，控制电路复杂，成本高。

图6 集中有源式均衡电路图

分布式变压器均衡方法有很多，基于反激变压器的隔离式DC-DC变换器分布式均衡法是比较常用的。

基于反激变压器的隔离式DC-DC变换器分布式均衡拓扑结构如图7所示，其中图(a)为单向DC-DC变换器分布式均衡拓扑结构，图(b)为双向DC-DC变换器分布式均衡拓扑结构，隔离结构以反激式结构最为常见。该种结构的均衡电路设计的功率变化范围宽，同时采用高频工作亦可使设备体积小型化，结构布局方便，适用于狭小的空间。

图7 隔离式DC-DC变换器的分布式均衡结构

从体积、质量、成本以及工作的可靠性来看，双向变换器具有更大的优势，是未来的发展趋势。但双向变换器电路结构中需要的开关管较多，因此构建的系统结构复杂、体积庞大。

文献[7]提出了一种三单体直接均衡电路，如图8所示，该方法能够实现相邻三个串联电池单体中的任意两个单体间能量的双向传递，非相邻电池单体(或模块)无需均衡时，均衡过程可实现能量跨越式地直接变换和传递，而无须借助于中间单体进行二次均衡，有利于缩短均衡过程的能量传递路径并提高均衡效率。但是当串联储能系统电压等级较低时，该结构的均衡效率比较低。

图8 三单体直接均衡电路

文献[8]设计了一套基于上述三单体直接均衡电路的九单体串联系统，该系统采用树状分层的形式，如图9所示，将系统分为三层，同层或是上下层模块之间通过CAN总线进行数据通讯，该系统均衡效率高，均衡速度快，且便于模块化设计。

图9 单体树状分层图

还有一种基于升降压变换器的分布式均衡方法，该均衡拓扑结构如图10所示，该方法无能量损失，可实现充电和放电情况下的均衡，同时它可适用于大功率的设计，高频条件下工作，可大大减小设备的体积，方便在狭小的空间内进行布局；但是当串联电池组内不均衡的电池单体出现的位置不相邻时，能量的传输路径长，均衡速度变慢，效率降低。

图10 基于Buck-Boost变换器分布式均衡结构

2 均衡控制策略分类

均衡控制策略按照均衡的判断准则一般可分为两种：基于电压的均衡和基于SOC的均衡。

2.1 基于电压的均衡方法

基于电压的均衡方法是指通过单体锂电池的负载电压差异来判断锂电池组的不一致性情况，据此控制电源管理系统均衡模块的开启和关闭。电池负载电压测量简便快捷，且负载电压很大程度上可以反应电池SOC的变化，正是这个原因，大多均衡方法均将负载电压作为均衡控制策略的判断依据，其控制方式容易实现，对算法要求不高，缺点是用单一电压均衡，均衡的精度和效率难以保证，尤其是对于并联电池单体，无法应用该策略均衡。

2.2 基于SOC的均衡方法

现有的均衡方法大多数以测量简便的负载电压差异大小作为锂电池组不一致性情况的主要依据，电池管理系统据此控制均衡的开关状态。均衡的最根本目的是平衡电池间剩余电量即SOC的差异，负载电压可以反应电池SOC的变化，但无法准确描述电池的SOC状态，可能因此而出现过充和过放，对锂电池造成损坏。锂电池内部的化学材料是造成该现象的原因。锂电池的极化效应导致当电流流过电池时，电池电压偏离其平衡值；由于锂电池生产过程中无法做到完全一致，且随着锂电池充放电循环次数的增多，电池间的极化差异逐步变大，在充放电过程中表现为负载电压差异越来越大。在锂电池使用后期，负载电压往往无法准确反映电池的SOC值。

由于锂电池极化效应等因素的影响，用负载电压作为均衡的判断标准已无法满足需求，在这种情况下，研究人员提出了基于SOC的均衡方法。

由于锂电池的容量和SOC都不是能直接测量得到的，需要通过测量电池的电压、电流、温度等参数计算得到，计算的准确度受计算方法、电池模型的制约，动力电池的老化、自放电、使用环境等也对计算的准确度造成影响，因此，目前基于SOC的均衡控制策略还在研究中，具体的应用案例很少。

尽管如此，还是有研究人员进行了尝试。Jong-Hoon Kim等人[9]针对含20节单体锂电池的锂电池组设计了基于SOC的均衡方法，结果显示了其优越性。Jingyu Yan等人[10]提出一种模糊控制的SOC均衡方法，均衡效果显著。

3 结论

综合上述的各种动力电池的均衡方法以及均衡控制策略，尽管方法很多，且每种均衡方法均有其特点，但到目前为止，没有一个均衡方法能够做到兼顾均衡效率、均衡速度、均衡系统的复杂程度以及均衡系统的成本。结构简单、易于控制的电路结构不适于电池组的扩展，而灵活度高，易于实现模块化的电路却存在元器件数目多，结构复杂，不易于控制的问题。

为解决上述问题，开展均衡损耗小、均衡速度快、系统结构简单、易于实现电池组扩展的均衡方法是今后的发展趋势，这将有助于提升动力电池组的性能及使用寿命，对电动汽车的大规模推广具有积极的意义。

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Research progress of power battery equalization

Equalization was an important function of electric vehicle battery management system, which was commonly classified into two kinds of methods as dissipative equalization and nondissipative equalization. Researchers had done much work to improve the technical accuracy,reliability,sensibility of these two equalizations. Some novel equalization methods, including voltage and state of charge based equalization methods, and the improvement of these methods were also taken out.Principles of these methods for equalization were introduced, meanwhile,the advantages and disadvantages of these methods during applications were discussed in detail.

lithium-ion battery pack;battery management system;battery equalization

TM 912

A

1002-087 X(2015)10-2312-04

2015-03-22

国家电网公司基金项目(1213)

唐国鹏(1986—)，男，河南省人，工学学士，主要研究方向为储能技术。

赵光金，E-mail：gjzhao@iccas.ac.cn