充电模式下锂离子电池组主动均衡控制方法研究

胡浪　乔俊叁

摘 要：目前电动汽车都会采用到驱动动力强劲的锂离子电池，在充电模式下保证锂电子电池组实现主动均衡控制，有效推进电动汽车电力系统良性发展，提升电汽车整体性能。文章中所探讨的是基于双向Buck-Boost拓扑结构的主电路主动均衡控制系统，它其中基于荷电状态SOC建立主要均衡判据，进而实现了对主动均衡控制策略的有效改进。简单研究了充电模式下的锂离子电池组主动均衡控制电路设计方法，锂离子电池组的SOC均衡控制策略，并对其设计控制方法仿真结果进行分析。

关键词：锂离子电池组 主动均衡控制 充电模式 SOC均衡控制策略

Research on Active Equalization Control Method of Li-ion Battery Pack in Charging Mode

Hu Lang，Qiao Junsan

Abstract：At present， electric vehicles use lithium-ion batteries with strong driving power. In the charging mode， the lithium-electronic battery packs are guaranteed to achieve active balance control， which effectively promotes the sound development of electric vehicle power systems and improves the overall performance of electric vehicles. The article discusses the main circuit active balance control system based on the two-way Buck-Boost topology. Among them， the main balance criterion is established based on the state of charge SOC， and the effective improvement of the active balance control strategy is realized. The design method of active balance control circuit of lithium-ion battery pack in charging mode and the SOC balance control strategy of lithium-ion battery pack are briefly studied， and the simulation results of the design control method are analyzed.

Key words：li-ion battery pack， active balance control， charging mode， SOC balance control strategy

鋰离子电池属于绝对的无污染、清洁电压型储能器件，其锂离子电池组主要用于便携式电气、电动汽车以及电力监控系统之中。就以新能源电动汽车为例，它主要为汽车电源系统提供整车动力。考虑到电池组中单节锂离子电池之间是存在性能差异的，因此电池组在进行多次循环充放电后就会出现单节电池间电荷量不平衡问题。此时需要分析充电模式下的锂离子电池组主动均衡控制技术模式，有效延长电池组的整体使用寿命，同时也降低电池组的平均使用成本。

1 锂离子电池组主动均衡控制技术的基本思路

针对电动汽车锂离子电池组的主动均衡控制技术应用主要需要正确选取电池组，并赋予其均衡一致性技术准则。在选取均衡一致性准则过程中，需要对其电压进行分析，如果锂离子电池组中电池使用循环次数过多，则需要对电池中的隔膜、电解液浓度、极板厚度等等进行分析，结合电压判断均衡对开关管频信号进行分析，了解电池中能量的转换频率。但在该过程中，必须考虑到开关损耗的明显增大问题，同时它也会加速电池寿命退化，当电池的荷电状态（SOC）处于相对较低水平时，即电池剩余容量与电池额定容量比值较低，此时就能客观反映出电池组的不一致性。此时需要基于卡尔曼滤波算法对状态空间中的锂离子电池状态进行分析，为其设计均衡管理系统，改善均衡控制策略。在构建简单高效的锂离子电池组过程中，要追求构建其主动均衡机制，它其中针对电感式均衡电路结构进行分析，确保单节电池SOC电池组均衡一致性准则发挥到位。另外，针对锂离子电池等效电路模型进行分析，深度辨识、更新其参数内容，确保锂离子电池SOC主动均衡控制策略实施到位，最终开发出一套锂离子电池组能量均衡管理系统测试平台[1]。

在充电模式下，构建锂离子电池组的均衡充电电路模式可追求建立重要的电池特征参数评价体系，均衡电池组变量。首先，需要要分析控制均衡电路，它是具有实时判据性与高精度性的，这些数据属性都能用来表示电池的不一致性状态。与此同时，也需要分析均衡变量变化背景下的均衡现象内容，了解均衡变量导致过均衡现象，了解充电均衡的不稳定状态。总体来说，基于单体电池的放电深度需要结合荷电状态预测方法进行分析，追求输入输出参数函数，对它其中的非线性、容错性与鲁棒性进行分析，最终真正总结得出预测电池的荷电状态。从均衡充电系统分析看来，它主要基于神经网络与SOC估算方法进行分析，确保锂离子电池的实时荷电状态进行快速、准确预测分析，最大限度提高锂离子电池组的整体均衡精度与均衡效率[2]。

2 锂离子电池组主动均衡控制电路设计与分析

（1）SOC预测分析。针对锂离子电池主动均衡控制电路进行设计，它主要利用到了神经网络配合卡尔曼滤波算法，针对状态方程配合UT技术处理均值内容，建立非线性系统如下：

此时假定状态为高斯分布随机变量中的过程噪声与测量噪声进行分析，明确统计状态，计算获得Sigma点，此时再计算卡尔曼增益系数K，明确状态变量与协方差。对电流时间积分进行分析，建立系统状态方程，优化状态预测过程。在状态预测过程中，调整输出测量值与比较值误差，建立SOC状态预测更新误差，明确系统状态预测过程[3]。

（2）SOC优化预测调整。在对神经网络进行验证过程中也要进行SOC优化预测，借此了解锂离子电池组的充放电效果。具体来讲，主要是针对锂离子电池的充放电过程进行实验，这里选用容量为2600mAh的锂离子电池展开充放电实验，在电池放电完全停止后，在经过长时间静置后，对开路电压SOC值进行计算，并对比实验数据内容。其目的是為了有效减少计算量，选择变量系统对状态变量进行分析，建立一套SOC预测系统，明确其状态过程。在该过程中，基于BP神经网络估算SOC值结果，对神经网络的估算结构误差均方根进行分析，减小其误差值。

在2600mAh锂电池充放电实验中，主要对SOC估算结果与实际测试结果进行分析，发现二者是相互吻合的，要在网络SOC估算过程中改进神经网络，估算动力电池SOC精度，通过改进算法对神经网络预测SOC方法进行分析，进而获得良好的预测效果[4]。

（3）主电路有效控制。针对不同能量传递方式进行分析，了解均衡充电技术并研究均衡电路，它其中包含了主动均衡与被动均衡两种，即建立双向Buck-Boost交换器均衡结构，明确能量损耗过程，建立基于变换器均衡结构的双向能量转移通道，对电池单体将的储能电感能量进行优化。整体看来，它的电路拓扑图相对简单，损耗较小，适用于电池组间拓扑均衡电路。在均衡主电路采用双向Buck-Boost拓扑电路，结合电压大小对能量流通过程进行限制，保证双向主动均衡达标。一般来说，其拓扑电路中的电子元件是相对廉价易得的，且它的拓展性也相对较好。对电池组若干小模块进行分析过程中，要规避均衡时间过长这一问题，对组内电池电路实施均衡调整，保证模块数量上层均匀电路有效增加。该小模块作为均衡充电可作为一个单体，其模块数量相当有限，基于此建立双向Buck-Boost拓扑结构，如图1[5]。

3 锂离子电池组SOC主动均衡控制策略分析

首先要对锂离子电池组SOC进行预估，建立单节锂离子电池SOC在线估算机制，建立一天简单的等效电路模型，对主要参数进行辨识并更新。在该过程中，也要分析锂离子电池的实际工作状态，例如分析它的外部动态特性、电动势以及电池欧姆内阻，确保放电电流流向为正方向。如此计算可保证计算得出状态量、观测量与控制量，明确不同量指标中的对应关系，对电池端电压相对应关系进行深度研究。

其次要分析锂离子电池SOC估算算法，对SOC状态空间模型参数进行更新调整，实现在线估算过程。SOC估算流程如下：

初始化→设置k+1时刻状态向量→k+1时刻状态向量估计→k+1时刻电池电压、电流→误差协方差>0.01，→k+1时刻SOC在线估计值→计算SOC值→结束

基于上述流程，对锂离子电池性能测试数据与离线模型进行分析，了解参数辨识结果，对状态空间中的模型参数值进行初始化分析，结合实际端电压测量值对状态量与误差协方差实施实时更新，调整参数更新过程。

最后对SOC值偏差进行分析，了解其均衡阈值进行均衡控制，优化调整硬件控制板与PC机通信内容，对电池组充放电过程中的单节电池电压、母线电流以及电池SOC信息进行调整，最终建立锂离子电池组能量均衡管理系统结构[6]。

4 锂离子电池组SOC主动均衡控制策略的仿真实验结果分析

在锂离子电池组SOC主动均衡控制策略过程中创建仿真实验过程，并基于充电模式下对其仿真实验结果进行分析，了解均衡充电原理，明确其可行性研究过程，形成均衡充电电路体系。

总体来讲，主要要通过未加入均衡模块控制系统对电池充放电过程进行调整，反复充电操作确保锂离子电池组，了解其过负荷过程，避免锂离子电池组中单节电池被损坏。此时，要基于仿真实验结果结束充电过程，确保电池满充到位。在这里，需要建立均衡模块，优化充电过程，确保均衡模块趋向一致性，明确荷电状态变化过程，保证其平稳有效，有效规避充放电现象过度情况，这对保护延长锂离子电池组使用寿命是非常有好处的[7]。

5 结语

在充电模式下，对电动机车锂离子电池组的双向主动均衡控制，确保电池组不一致性进行调整，保证充电安全性到位。该过程中，主要基于双向Busk-Boost建立拓扑电路结构，优化主动均衡控制系统，然后进行Matlab仿真试验，确保充电模式始终保证静置模式，结合主动均衡电路确保充电时间最大限度减少，提高锂离子电池组的主动均衡充电控制效率到位。

参考文献：

[1]刘晓悦，杜晓.改进锂离子电池主动均衡充电控制方法[J].电源技术，2019，43（2）：294-296，328.

[2]罗卫军.动力锂离子电池SOC估计及均衡技术研究[D].四川：西南科技大学，2017.

[3]李德才.电动汽车动力电池分阶段主动均衡控制研究[D].重庆：重庆交通大学，2017.

[4]于跃，林聪，张恒.基于荷电状态的锂离子电池主动均衡控制系统的研究与实现[J].电气技术，2019，20（8）：18-22，27.

[5]张国路.电动汽车动力电池荷电状态估计及均衡技术研究[D].安徽：合肥工业大学，2018.

[6]陈立文.电动汽车锂离子电池管理系统研究与设计[D].四川：电子科技大学，2013.

[7]李民英，王一博，陈宇， 等.电动汽车用双向无损均衡的锂离子蓄电池管理系统[Z].广东志成冠军集团有限公司.2016.