电动汽车动力电池均衡控制策略

孟少华 申彩英

（辽宁工业大学）

在电动汽车中，动力电池组由单体电池串并联组成，以保证电动汽车对电压和容量的使用需求[1]。由于单体电池在制作过程当中存在不一致性，并且其工作环境（如各单体电池实际工作时的温度）也不尽相同。在动力电池的使用过程中会存在不同程度的过充和过放现象，影响电池使用寿命，使动力电池存在安全隐患。在制定均衡策略时，需要对动力电池的不一致性原因进行分析，以保证均衡策略的实用性[2]21。文章在对动力电池不一致性原因及均衡技术进行分析的同时，说明了被动均衡策略的优势和均衡策略研究对电动汽车发展的重要性。

1　不一致性分析

在由多个单体电池组成的电池组中，单体电池之间的不一致性原因主要为电池工艺和电池老化[2]23。在动力电池制作过程中，电压、内阻、容量及自放电率等参数不能做到完全相同，这些差异在动力电池的循环使用过程中会不断放大，影响电池使用寿命，导致电池能量利用率降低。因此需要通过对各单体电池的信息进行监测，判断其荷电状态（SOC），再以此为依据设定控制策略[3]。

2　均衡策略分析

电池均衡技术主要有主动均衡和被动均衡2种[4]。通过均衡策略判断电池的不一致性，再通过均衡技术，释放能量较高的电池能量或补充能量较低的电池能量，缓解动力电池在使用过程中的不一致性。

2.1　主动均衡

主动均衡也叫做非能耗均衡。主动均衡中能量能够直接在单体电池间转移，具有效率高、散热少及能量浪费低的特点。主动均衡主要采用电容（电感）和变压器等元件。

2.1.1电容（电感）均衡

开关电容（电感）均衡方式采用无源器件电感或电容作为储能元件，用于单体电池之间的能量传递。通过切换电容开关，实现对电容的充电过程和对欠压电池的放电过程，能量通过无源器件再次分布，从而保证电池组中单体电池的电压趋于相同。开关电容均衡方式的特点是不消耗能量，主要是转移能量来实现电池的均衡。电容均衡原理图，如图1所示[5]。

图1　电容均衡原理图

电感均衡电路结构，如图2所示[6]。电路中均衡电路的开启与关闭通过MOS1和MOS2 2个MOSFET管来控制；放电回路的放电通道由续流二极管D1和D2提供；L为均衡电路功率电感，用以转移能量；R是L的消磁电阻，释放均衡过程中产生的多余能量；以B1和B2模拟需要均衡的2块单体电池。在电池组工作过程中，检测B1和B2两端的电压是否满足均衡条件。当两者间压差大于预设阈值电压时，开启均衡模式。例如：UB2＞UB1，在均衡开启后，则整个过程依次为B2放电、B1充电、L消磁3个阶段。

图2　电感均衡原理图

放电过程：通过软件控制MOS1闭合，MOS1，L，B2形成放电回路，B2开始放电，部分电能存储在L中[7]。

充电过程：通过软件控制MOS2闭合，MOS1断开，MOS2，L，B1形成充电回路，L则对B1进行充电。充电电流随着充电时间的增加而减小，当L两端电压低于B1和MOS2的导通电压时，充电过程结束。随着充电过程的结束，虽然L两端存在电压差，但并不能达到对B1充电的要求，因此加有R以消耗L中的剩磁，保证电路参数的稳定。

2.1.2变压器均衡

在大电流电池均衡中，通常在电池两端使用隔离的DC/DC变换器[8]。多绕组变压器均衡方式分为单向DC/DC均衡和双向DC/DC均衡2种。变压器均衡方式中每个电池两端都有一个DC/DC变换器，而随着电池组均衡系统的增大以及相应元器件数目的增多，多绕组变压器DC/DC均衡就形成了。均衡过程采用能量转移的方式：多余的能量向能量最少的电池中转移。变压器均衡原理图，如图3所示，多绕组变压器的原边与电池组两端相连，副边与单体电池相连，以采集到的单体电池电压值控制原边的闭合，通过能量转移实现电池均衡[9]。

图3　变压器均衡原理图

2.2　被动均衡

被动均衡又被称为能耗均衡。被动均衡采用能耗的方式消耗掉能量高的电池中的能量。被动均衡方式采用的电路结构简单而且易于实现。电阻放电均衡是一种常见的被动均衡方式，当电池满足均衡调节时，开关闭合，形成放电回路[10]。这种均衡方式的优点是结构简单和成本低，但是其缺点也是显而易见的，电池放电会产生大量能耗及热量，均衡效率低。其电路原理，如图 4所示[11]。

图4　被动均衡原理图

3　结论

由于主动均衡系统的成本相对较高，同时电路过于复杂，而被动均衡具有实现简单和成本低的特点，因此被动均衡依然是均衡策略的主流方式。与国外相比，目前我国对动力电池关键技术的研究水平依然存在较大差距。电池管理系统仍然是电动汽车发展的短板，其中电池均衡策略的研究对提高动力电池寿命和性能有着重要意义。研究出具有能量损耗小、均衡效率高的均衡策略对电池管理系统的研究起着促进作用，电动汽车的研究也将因此而有新的进展。