电动汽车电池均衡控制设计

叶圣双，钱祥忠

（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州325035）

电动汽车电池均衡控制设计

叶圣双，钱祥忠

（温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州325035）

针对电动汽车电池组串联使用过程中的不一致性并由此带来的性能下降和寿命缩短的问题，设计了一种基于阵列选择开关控制的均衡控制结构，并提出了一种新的均衡控制策略；该控制策略根据单体电池电压和设定阀值情况通过先配对再均衡的方法，如此不断的循环往复直至整个电池组电压趋于一致来实现电池组之间的均衡；最后对电池组在充电状态下和非充电状态下分别进行了均衡实验，结果表明，所提出的均衡控制方法具有均衡时间短、效率高、能够完成电池组在各种情况下的均衡等优点。

电动汽车；电池均衡；不一致性；能量转移

由于电池组内各单体电池内部特性参数的差异、自放电率的差异和工作温度等的差异，在串联使用过程中，会由于电池性能的不一致性造成串联中的个别电池的过充电、过放电、过温等影响电池性能和使用安全的问题，而这种情况会造成电池性能的快速恶化，最终导致整组电池无法正常工作，甚至于报废[1-5]。总的来看，串并联的电池单体数量越多，电池组的一致性差异也越明显，这样对电池组性能的影响也越大[6-8]。因此，需要采用均衡技术，实时检测电池组的运行状态参数，当满足均衡设定条件，则利用均衡器对电池组内各电池单体进行相应的均衡处理，改善电池组电池单体间的不一致性[9-12]。

目前，大多数的均衡控制器往往只以孤立的电阻、电容和电感构成。电阻耗能会增加能量的浪费；电容均衡的实质是以电池之间的电压差来实现的，实际中电池之间的电压差值往往并不是很大，不可避免的会带来电容均衡能力较差甚至不能均衡[13-15]；单个电感均衡在同时刻只能处在高电压电池对其充电或者其对低电压电池放电中的一种状态，会加长均衡时间。另外一点，多数均衡器往往只具有充电时的均衡功能，这样如果电动汽车在行驶过程中或者闲置时出现某个单体电池不均衡的情况，均衡器则显得无能为力，不可避免的会带来电池寿命的下降。因此，需要重新设计一种均衡控制器，并提出一种相应的控制策略，以应对各种条件下的均衡情况。

文中提出在传统cuk电路的基础上，通过改进利用阵列选择开关构成电池组均衡系统，以电压为均衡变量，同时设计了一种新的均衡控制策略；该控制设计具有均衡电流连续，且能跨电池均衡的优点，改变了以往电阻均衡、储能均衡系统能量损耗大、均衡时间长等问题，提高了均衡效率的同时能够实现充电和非充电两种状态下的均衡，有效缓解了电池组的不一致性问题，从而延长动力电池组的使用寿命。

1 均衡电路工作原理

基于非耗散式均衡效率高的优点，文中采用能量转移式控制方法。其结构如图1所示，图中均衡器根据测量的电压值，通过阵列选择开关（由开关信号控制）对各单体电池进行配对，电压较高的电池和电压较低电池形成一个均衡对。阵列选择开关的优点是既能快速完成相邻电池的均衡，又可以实现跨电池均衡，有效的克服了传统的均衡电路只能在相邻的电池间均衡或者只能实现单对单均衡的缺点，能有效缩短均衡的时间。通过电池单体的配对，将能量由电压高的电池转移到电压低的电池中，直到所有电池达到均衡。

图1 均衡器结构

实现能量转移的均衡模块电路如图2所示，此电路为cuk电路，由电容C1、电感L1/L2、可控开关器件S1/S2和二极管D1/D2组成，每个均衡模块由阵列选择开关选择配对加在2个需要均衡的单体电池上，可控开关均受PWM控制，从而保证电池的能量由高向低的转移。因为cuk电路电感具有升压的作用，和传统的电容均衡电路相比，能量转移能力不受两单体电池电压差值的影响。此外，该电路处于均衡工作时，只需要对其中一个开关管进行控制，就能够完成能量的连续转移，因此控制电路相对简单。

图2 均衡模块电路结构

根据开关管的工作状态，均衡模块电路在一个周期可以工作在两种模式下。在均衡模块电路开始工作前，阵列选择开关已经将相应单体电池接入形成均衡对。为便于分析，假设电池B1、B2的电压U1高于U2。

工作模式1：S2断开，t=0时开关管S1导通，电池U1的能量转移到电感L1上，电容C1的能量转移到电感L2上并同时对电池U2进行充电均衡。此时电路分成左、右两个回路如图3所示。在左边回路中电压U1全部加到电感L1上，电感电流iL1线性增加。在右回路电容C1经过电感L2放电。二极管D2在电容电压Uc1的作用下反偏置而截止。对模式1工作电路进行电路分析可得左回路公式（1）和右回路公式（2）：

其中，iL1和iL2分别为流过电感L1和L2的

电流，Uc1为电容两端的电压。

图3 模式1工作电路

工作模式2：S2关断，在t=Ton时开关管S1关断，电池U1和L1上的能量转移到电容C1上，同时电感L2继续对电池U2进行充电。此时二极管D2续流，形成以二极管D2为边界的左、右两个回路如图4所示。电感L1和L2的电流全部流过二极管D2。在左回路中电池电压U1通过电感L1给电容C1充电，由于电容C1的存在，充电时电容C1上的电压Uc1增加不多，但电感L1的储能因向电容C1转移而使电流iL1下降，右边回路中电感L2的电流iL2因向U2放电而下降。两个电感电流的下降率分别为（3）式和（4）式，并且在t=T时，电流iL1达到最小值IL1min，电流iL2达到最小值IL2min。

图4 模式2工作电路

在t=T时刻后，开关管S1又导通，开始下一个开关周期。设电路工作时占空比为D，开关周期为T=Ton+Toff。根据cuk电路的工作原理可得出电压U2与电压U1的关系为[16]：

如果电流iL1的负值最大值IL1min的绝对值，正好和电流iL2的最小值IL2min相等，则在t=T时，流过二极管D2的电流正好为零，这就是该电路连续和断续模式的临界条件。即

由（1）、（2）、（6）可得S1导通期间的iL1和iL2的增加量为∆iL1和∆iL2：

所以电流iL1和iL2的平均值IL1和IL2为：

假设均衡器的损耗为0，则根据功率平衡有U1IL1=U2IL2。将此式与以上（5）、（10）、（11）3式联立即可解得ILmin的表达式：

若ILmin＞0则电路工作于连续模式，此时要求DL1/（1-D）-L2＞0，即需要D/（1-D）＞L2/L1，实际中常取L1=L2=L，所以占空比D满足50%＜D＜100%。这样整个S2断开期间，均衡电流均连续，均衡电路都能保证U1的能量向U2转移，提高了效率。由于电路结构的对称性，当电池电压U2高于U1时，同样可实现能量由U2到U1的转移。

2 均衡控制策略

电池组的均衡控制主要包括电池配对阶段和均衡阶段。控制过程如图5所示。Uˉ为电压平均值，UTH为均衡控制的电压阀值，当电池组中电压最高（Umax）电池和电压最低（Umin）电池差值低于UTH时，即Umax-Umin＜UTH时均衡结束。当电池组中存在Umax-Umin＞UTH时，说明电池组存在不均衡的电池，阵列选择开关分别选择将偏离电压平均值较高的电池和较低的电池配对形成一个均衡对，当均衡对中的2个电池差值绝对值超过电压阀值UTH时，即|U1-U2|＞UTH时均衡启动。当所有均衡对中的2个电池都达到|U1-U2|＜UTH时，一轮均衡结束，此后如果仍存在Umax-Umin＞UTH的情况，则继续配对均衡，如此循环直至电池组达到均衡。电压阀值的大小是影响电池组的均衡时间的因素之一，所以需要考虑均衡器的均衡能力，以及各单体电池的电压差等因素。

通过这种均衡方法控制的电池组，即使存在电池电压不同的单体，但由于有了均衡电路的均衡作用，通过电压高的电池向电压低的电池转移能量，使得电池组的单体电池差异都能在正常范围内，只要均衡能力足够，就可以最大化的消除不一致，从而起到保护电池的作用。

图5 均衡控制过程

3 均衡实验

为验证本文所设计的均衡控制方法的可行性，文中选取6节18650型锂电池分别进行均衡实验，电池额定电压3.7 V、额定容量6.8 AH，电池内阻10 mΩ。均衡电路开关频率设为10 kHz，阀值UTH取0.02 V。

3.1 充电状态下的均衡实验

充电时6节电池初始电压为2.81 V、3.15 V、3.24 V、3.35 V、2.95 V、3.48 V，均衡充电过程如图6所示，由图可看出开始时各单体电池电压差值较大，随着充电的进行，电压高的单体电压上升较慢，电压低的单体电压上升较快，说明充电时电压高的单体有在向电压低的单体转移能量，最后电压趋于一致小于设定阀值并达到额定电压，均衡充电效果明显。

图6 充电状态下的均衡

3.2 非充电状态下的均衡实验

单体电池初始电压Bat1-Bat6分别为：4.09 V、3.59 V、3.95 V、3.43 V、3.11 V、3.81 V。均衡过程中的电压如图7所示，均衡结束时Bat1-Bat6单体电压为3.76 V、3.75 V、3.75 V、3.74 V、3.74 V、3.75 V，电池电压差值小于阀值0.02 V，达到了均衡的要求，均衡前后电压对比情况如图8所示。

图7 非充电状态下的均衡

由图7和图8可以看出，各单体电池初始电压差别较大，随着均衡的进行，初始电压高的电池随时间变化电压开始降低，初始电压低的电池随时间变化电压开始上升，说明能量在由电压高的单体向电压低的单体转移，最后各单体电池电压趋于一致，均小于设定均衡阀值0.02 V，基本不受单体电池电压差值限制，通过较短的时间内达到了良好的均衡效果。从而验证了文中提出的均衡方法的可行性。

图8 均衡前后电压对比

4 结 论

文中设计了一种基于阵列选择开关控制的改进型均衡器结构，根据电压差值和阀值的关系按照先配对后均衡的方法，通过能量转移式均衡控制，实现能量由电压高的电池向电压低的电池转移，结合所提出的控制策略不仅解决了电动汽车传统的充电状态下的均衡，还能够实现非充电时状态下的均衡，并且具有均衡时间相对较短、均衡效率高的优点，有效的解决了各种情况下的电动汽车电池组的不一致性问题。最后为了验证该均衡控制方法的有效性，进行了充电均衡和非充电均衡的均衡实验，从实验结果来看，所提出的均衡方法能有效实现各单体电池电压的均衡控制，均衡效果良好。

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Design of equalization control for battery of electric vehicle

YE Sheng⁃shuang，QIAN Xiang⁃zhong
（College of Physics and Electronic Information Engineering，Wenzhou University，Wenzhou325035，China）

Aiming at the inconsistency in the use of battery packs in electric vehicles and the performance degradation and shortening of lifetime，an equalization control structure based on array selective switch control is designed and a new equalization control strategy is proposed；The control strategy according to the single battery voltage and set the threshold situation by first pairing and then balanced method，so the constant cycle until the battery voltage is consistent to achieve the balance between the battery；Finally，the battery pack in the experimental results show that the proposed equalization control method has the advantages of short equilibration time，high efficiency and equalization of the battery pack under various conditions.

electric vehicle；battery balance；inconsistency；energy transfer

TN02

A

1674-6236（2017）22-0154-04

2016-10-24稿件编号：201610138

温州大学研究生创新基金项目（3162015031）

叶圣双（1987—），男，安徽阜阳人，硕士研究生。研究方向：电力电子装备信息化。