动力电池组在充放电模式下的均衡控制

肖新山

（黑龙江特通电气股份有限公司，黑龙江 哈尔滨150028）

动力电池组有单体电池按照特定的顺序组合而成，受单体电池制造工艺的限制单体电池在电池容量、内阻、衰减特性方面有所偏差。动力电池组在充放电过程中单体电池间的SOC 不一致将导致单体电池在充放电过程中产生过充、欠充、过放等问题，动力电池组中单体电池在充放电过程中的不均衡将容易造成单体电池的损坏。为解决上述问题需要做好动力电池组充放电过程动态均衡控制的优化，对动力电池组进行精确化管理。

1 动力电池组SOC 均衡控制法特性

现今应用于动力电池组SOC 均衡控制的方法主要有两大类：主动均衡控制法和被动均衡控制法。被动均衡控制法也被称之为电阻耗能式均衡，其均衡控制的指标以单体电池的实时电压为基准，如发现单体电池中存在较高的电池将使用电阻等耗能元件消耗其多余的电荷用以保障动力电池组中各单体电池的均衡。电阻能耗式均衡策略利用微控开关控制单体电池与电阻回路的导通, 在动力电池组电压测量系统监测到动力电池组中单体电池的电压不一致时, 控制微控开关导通电阻回路用以消耗掉多余的部分，此种动力电池组动态均衡策略实现容易、设计简单，但是不足之处在于动态均衡控制过程中将会消耗掉较多的电能，且会产生较为严重的热堆积，同时动力电池组的动态均衡控制效率较低。动力电池组的主动均衡策略选用的是对动力电池组中电压较高的单体电池进行开关旁路或是利用电感、电容等作为储能元件，将动力电池组中单体电池电压较高的部分转移至SOC 较低的单体电池中，实现对于动力电池组的均衡控制。完全分流式均衡控制策略采用的是在动力电池组的单体电池中加装两个开关对电池进行单独控制。这一控制策略尽管控制模式较为简单，但是存在着结构复杂、适应性差的缺陷。

本文所采用的动力电池组控制策略采用的是动态均衡控制法，此种控制法其最大的优势在于两种不同的均衡策略，而这两种不同的均衡策略的提出是基于能量流向所提出的。通过对动力电池组中各单体电池的均衡加速系数进行动态的调整，实现对于动力电池组中N 组电池的单体电流和输出电压的调节，通动态调节和控制用以确保动力电池组中各单体电池的均衡。动态均衡控制方法最大的优势在于使得动力电池组在充放电过程中均衡控制速率得到了极大的提高，同时减少了动力电池组中的SOC 差异，将以往存在于动力电池组中的过充、欠充以及过放问题降至了最低。从而使得动力电池组的使用效能得到了极大的提高。

2 动力电池组动态均衡控制系统结构

动力电池组动态均衡控制系统结构采用的是动力电池组中的单体电池与分布式控制器相并联的连接方式，并将与单体电池相并联的分布式控制器输出端相串联的连接形式，相串联的输出端将作为母线电压产生端。整个动力电池组动态均衡控制系统采用4 组相并联的双向升降压DC/DC 变换器，并依靠相关的均衡控制算法完成对于各控制器的控制。在对动力电池组动态均衡动态调节时通过调节变换器的开关管完成对于单体电池的升压或是降压操作。在对动力电池组动态均衡控制时，依靠电压外环和电流内环所构成的双闭环控制系统完成对于动力电池组动态均衡控制的精确调控。

3 动力电池组动态均衡控制算法

3.1 动力电池组中单体电池的SOC 估算

为实现对于动力电池组动态均衡控制首先需要做好动力电池组中各单体电池SOC 的估算。现有的单体电池SOC 估算法主要有安时积分法、开路电压法等几种。不同的单体电池SOC 估算法各有有缺点：安时积分法累积误差较大且无法对单体电池的初始状态进行明确的估算，内阻法的缺点在于对于单体电池内阻测算较为困难；神经网络法结构和算法都复杂，但是其对于单体电池的SOC 估算较为准确，不利于实际应用推广。从成本、准确度等因素进行综合考虑后本文选用安时法作为主要的单体电池估算法。本文以18650 电池为单体电池，使用安时估算法对单体电池的SOC 进行估算，通过对单体电池在不同的不同温度、OCV 和SOC 之间的数据进行测算，并根据所测算的86 个数据点完成上述数值函数关系的绘制，利用绘制的曲面差值完成单体电池SOC 的估算。

3.2 单体电池充、放电模式下动态均衡加速系数的计算

动力电池充电模式下动态均衡控制方法其核心在于根据所估算出的单体电池SOC 和动力电池组平均SOC 之间的差值结合动态调整均衡加速系数来计算单体电池充电调整电流。需要注意的是动力电池组中的单体充电速率与平均SOC 之间的差值呈线性关系，在计算时需要引起足够的重视。在动力电池组放电模式下对单体电池进行动态控制时遵循的是与充电时同样的思路，根据所单体电池的SOC 和平均SOC 之间的偏差来对均衡加速系数进行动态调整，实现对于动力电池组中单体电池输出电压的调控。在放电均衡控制下，单体电池的输出电压SOC 与控制电流呈反比，需要在计算时引起足够的重视。

4 动力电池组在充放电模式下应用动态均衡控制实验

4.1 实验准备

为验证动态均衡控制在动力电池组充放电摸下的可行性，搭建了实验验证台，实验以4 节18650 电池相并联作为单体电池,并以6 组单体电池构成了一组动力电池组，动力电池单体电压为3.7V, 单体电池容量为10.4Ah，在单体电池的测量上使用的是型号为XY195-9SY1 的功率计量仪,其能够完成0-600V 区间直流电源的测定，示波器被用于显示单体电池在充放电过程中的电压波动，单体电池的充电采用的是直流电源。

4.2 实验步骤

首先实验单体电池的放电控制特性：（1）将6 组充满电的单体电池通过控制方法放电至不同的SOC；（2）将放电完成的6 组单体电池以0.75A 的流量进行充电,充电截止电压为4.1V。在这一过程中记录下6 组单体电池在充放电模式下的静态和动态均衡状态下端电压变化情况。通过对所记录下的数据进行分析后发现在应用静态控制法时，单体电池在充放电模式下各组单体电池之间的极差最大能够达到150mV，整个均衡过程贯穿充放电全程, 截止到单体电池冲放电完成，6 组单体电池之间的极差能够从最大的150mV 降至50mV。而在采用动态均衡控制法时，6 组电池间的极差能够凑最大的150mV 降低至30mV，而且整个均衡时间相较于静态均衡法减少了30%左右，使得动力电池组中单体电池之间的SOC 一致性得到了明显的改善。在应用静态均衡法的过程中均衡加速度系数总体为13.3 左右，且保持的较为良好，而动态均衡法则不同在整个均衡控制的过程中均衡加速系数则一直处于动态调节的状态，且相对于静态均衡法动态均衡控制法所耗费的时间大为减少，均衡速率大为提高。

5 结论

动力电池组是新能源车辆的动力核心，新时期随着新能源车辆的快速发展对于动力电池组的需求量大增，为解决动力电池组在充放电模式下的SOC 不一致及均衡速率较慢的问题，本文采用了新的动态均衡控制方法，这一方法基于所估算的单体电池SOC 与动力电池组平均SOC 之间的偏差，通过对单体均衡加速系数进行动态调整完成了对于动力电池组内单体电池SOC 的动态均衡调节。相较于传统的均衡方法，动态均衡控制法不仅极大的降低了均衡时间，且均衡后动力电池内单体电池之间的极差也降低至了30mV，从而使得单体电池之间的SOC不一致性得到了极大的改善。