电动汽车动力电池均衡控制研究

杨依楠，高力，宋晋

（1.华晨汽车工程研究院电控工程处，辽宁 沈阳 110411；2.华晨汽车工程研究院新能源工程处，辽宁 沈阳 110411）

前言

随着全球环境问题和能源危机的不断凸显，加之各国陆续出台禁售燃油车时间表，作为低碳环保的电动汽车越来越被消费者认可。动力电池作为电动汽车的动力源，其品质直接影响整车安全性、耐久性及动力性等指标要求。锂离子电池因具备能量密度高、比功率大、寿命长、一致性好、可靠性高等特点，成为电动汽车动力电池的首选，在电动汽车领域获得广泛应用[1]。

车用锂离子电池通常以串联、并联和混联等方式成组，以满足整车功率及能量的需求。由于制造工艺以及应用工况的差异，单体电池间会存在电压、SOC、容量、内阻、自放电率等特性的不一致，这种不一致性会随循环次数增加而加大，进而加速电池老化和性能衰减，甚至产生热失控风险[2]。因此，电池管理系统中的不一致性管理极为重要。

1 BMS均衡技术

在电池管理系统中，通过均衡控制来实现锂离子电池在日常使用过程中，单体电池、模组之间的电压和SOC差异保持在设定的阈值范围内。确保每个电芯自身可用容量达到100%，提高电池的可用容量，延缓自身或老化造成的容量差异。

电池均衡一般分为主动均衡、被动均衡两种。

1.1 被动均衡

被动均衡，即能量耗散型均衡，是通过耗能元件将单体电池内的多余电量转化为热能加以消耗，从而改善电池单体间的电压及电量的不一致性。被动均衡拓扑的主要形式为开关电阻式。

开关电阻式均衡电路使用可控开关方式（多采用功率半导体器件，如MOSFET等）来决定耗能元件是否接入电路，接入电路的均衡电阻可通过生热消耗掉一部分电池能量，均衡电阻耗散的能量符合焦耳定律。

被动均衡（能量耗散型）：

（1）单体SOC过高的cell放电至均衡电阻；

（2）均衡电流小于100 mA。

1.2 主动均衡

主动均衡，即能量转移型均衡，是通过不同的电路拓扑结构及控制策略，实现不同单体间的能量传递，也可实现模组间的能量传递。主动均衡在能量利用率、均衡效率等方面均优于被动均衡，但目前主动均衡技术还未做到：开发体积小、易集成、成本低、均衡速度快、可靠性高的拓扑结构。

目前主动均衡电路拓扑结构主要包含基于电容、电感、变压器等方式，其区别主要在于能量转换和缓冲器件的不同[3]。

主动均衡（能量转移型）：

（1）单体SOC过高的cell放电给过低的cell；

（2）均衡电流小于3A。

2 均衡控制策略

均衡控制是指基于选定的均衡变量，使用一定的算法控制均衡开启和关闭，以此达到控制电池电压及SOC的差异保持在设定的阈值范围内。目前应用较为广泛的均衡策略是通过把电池电压、容量及SOC作为均衡变量，考虑整车使用工况、均衡开启路数、均衡温升等因素来确定均衡开启条件和均衡剩余时间的估算[4-7]。

本文重点介绍下基于SOC估算的被动均衡，具体的控制策略如图1所示。

图1 基于SOC估算的均衡控制流程图

首先估算出每个单体电池的SOC，根据获取的 SOC值计算单体SOC之间的差值。当差值大于设定阈值后（目前为2%，后续可标定），依据SOC的差值、电芯容量及均衡电流估算单体电池待均衡时间，目前设定单次最大均衡时间为18.2小时（对应的SOC最大差值为4%）。在均衡的过程中考虑均衡温升及效果，均衡开启与关闭采取间隔1 min执行，直至均衡完成。

3 试验验证

对上述提到的基于 SOC估算的均衡控制策略，参照GB/T 38661-2020《电动汽车用电池管理系统技术条件》中提供的均衡测试方法，设计相关试验并对试验数据进行分析，来验证该控制策略是否合理。

3.1 试验方案

本文选取4.5 Ah1P12 S电池包作为试验对象，首先人为设定单体SOC之间的差异，然后接入BMS均衡功能进行多次充放电，分析均衡前后单体SOC差值变化。

3.2 试验数据

电池包起始单体SOC均为50%，通过人为设定单体SOC差异，使均衡前单体SOC最大差值为3.6%；接入BMS均衡系统后，经过多次充放电均衡后单体SOC最大差值为1.6%。均衡前后单体SOC详细的数值变化如下：

图2 均衡前后单体SOC数值

3.3 试验结论

在电池包整个均衡过程中，使用电流钳、万用表等设备进行数据监控与采集。通过分析试验数据得知实际均衡电流为60 mA，均衡完毕后单体SOC间最大差值缩减至1.6%，均衡前后SOC差值下降56%。具体试验结论如下：

表1 试验结论

试验结论：

（1）均衡工作正常；

（2）均衡工作电流60 mA；

（3）均衡后SOC最大差值小于2%，下降幅度达56%。

本文提出的均衡控制策略能有效改善单体电池 SOC之间的差异，确保单体SOC状态均处于一致，且在均衡变化允许范围内进行充放电，确保每个单体的可用容量得到最大利用。改善了电池包在使用过程中因过度充放电，导致电池寿命衰减严重现象。

4 结论

动力电池管理系统的均衡控制对于提升动力电池的使用寿命、延长电动汽车的续航里程有着至关重要的意义。近年来通过理论研究与实车应用相结合，在均衡拓扑结构优化上、均衡变量选取上及均衡控制策略制定方面均有重大的技术突破。

均衡控制有效避免了电池组在使用过程中不一致性问题的发生，促使电池组的一致性得到明显改善；同时延缓了电池组的衰减速度，实现有效稳定地充电量和续航里程。未来低成本、高效率的动力电池均衡技术必将得到广泛应用。