电动汽车锂电池均衡拓扑及策略的研究进展

蒋旭吟　朱红　徐善红　张伟　余昊

摘 要：鋰离子动力电池系统具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低而被广泛应用于新能源汽车产业作为动力的主要来源。然而，锂离子动力电池系统在运行过程中，由于电池间电池特性参数、自放电率、温度不均等因素使得电池单体间不可避免的存在一定的不一致性，这种不一致性若得不到及时有效的解决将会严重影响电池的使用效率。为此，本文对动力电池管理系统均衡控制拓扑及均衡控制策略展开研究，注重分析国内外的研究现状及存在的主要问题。

关键词：均衡拓扑；均衡策略；动力电池系统

1 引言

由锂离子电池组成的动力电池系统具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小等特点而被广泛应用于新能源的各个领域，以减少温室气体的排放。然而，动力电池系统在充放电过程中受外部系统的影响使得电池的管理非常困难。此外，受外界工作环境的影响，电池在工作过程中极易产生不一致性，严重影响动力电池系统的使用效率。

为提高动力电池系统的一致性和使用安全，本文研究了动力电池系统均衡控制策略。

2 动力电池均衡管理策略

动力电池系统通常是由电池单体通过一定的方式连接而成。由于电池属性参数的差异，导致电池单体会随电池使用出现一定的不一致性。这种不一致得不到有效的解决将会影响电池使用效率。为此，通过有效的均衡拓扑和控制策略改善电池一致性，对于提高电池一致性具有重要意义。目前，常用的均衡控制方法按照能量耗散方式主要分为主动均衡和被动均衡。

2.1 被动均衡

被动均衡是将电池中多余的能量通过耗散型元器件以热量的形式传递出去[1]。该方法实现简单，无需复杂的控制策略。但会造成电池能量的浪费。常用的均衡控制策略主要包括：电压均衡和SOC均衡。

2.1.1 压差最优的被动均衡控制策略

以压差为最优的被动均衡控制策略如图1所示。其中电池单体电压通过电池管理系统中的采样单元获得，主控单元通过计算电池的平均电压V0控制电池均衡。该控制策略简单且易于实现，但由于电池特性曲线平坦使得均衡效果较差。

2.1.2 SOC差最优的被动均衡控制策略

以SOC的差值为最优的被动均衡控制策略如图2所示。该策略下，BMS通过计算电池单体的SOC，确定均衡电池，通过控制对用的控制回路实现电池均衡。该方法均衡效果较好，但计算复杂度较高。

2.2 主动均衡

不同于被动均衡，主动均衡通过能量转移元件，将能量较多电池单体的能量转换到能量较少的单体中，实现无损均衡[2]。常见的均衡控制拓扑主要包括：开关电容、DC/DC变换器、开关电感。

主动均衡的策略主要利用电池间电压、SOC、能量之间等存在的差异，通过有效的控制均衡拓扑结构来实现。

如图3所示的一种DC/DC均衡拓扑。可以实现电池单体与电池系统之间的能量转移，最终达到均衡的目的。常用的主动均衡控制指标主要包括电压最优、SOC最优、容量最优、均衡时间最优。相比于被动均衡，主动均衡的计算复杂度更高，控制策略复杂。但均衡效果更好，能够更好的解决电池间的不一致性。

3 结语

为了确保动力电池系统的可靠运行，提高电池的使用效率，均衡是不可缺少的。目前，国内的主要均衡方式主要包括被控均衡和主动均衡。对于主动均衡的控制策略大多以电压、SOC、容量等作为均衡控制指标，常见的均衡拓扑主要包括开关电感法，DC/DC变换法等。在本文中着重对常用的几种均衡控制拓扑及均衡控制策略展开研究，总结每种均衡的优缺点。

参考文献：

[1]Hua Y，Cordoba-Arenas A，Warner N，et al. A multi time-scale state-of-charge and state-of-health estimation framework using nonlinear predictive filter for lithium-ion battery pack with passive balance control[J]. Journal of Power Sources，2015，280：293-312.

[2]Aizpuru I，Iraola U，Canales J M，et al. Passive balancing design for Li-ion battery packs based on single cell experimental tests for a CCCV charging mode[C]//Clean Electrical Power（ICCEP），2013 International Conference on. IEEE，2013：93-98.