淺析電動(dòng)汽車電池均衡控制技術(shù)

沈百新

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

淺析電動(dòng)汽車電池均衡控制技術(shù)

沈百新

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

電池是電動(dòng)汽車的核心部件，電池的使用壽命影響電動(dòng)汽車的發(fā)展，決定電池使用壽命的關(guān)鍵是控制電池的充放電均衡性。文章主要對(duì)常見電池均衡技術(shù)的發(fā)展和電池均衡技術(shù)參數(shù)的選取做了整體性論述，在對(duì)常見均衡控制技術(shù)論述的基礎(chǔ)上給出了相對(duì)較為合理的均衡控制方法。

電動(dòng)汽車；電池壽命；電池均衡控制

CLC NO.:U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2016)07-14-03

前言

電動(dòng)汽車的核心部件—電池成為制約電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵因素，目前電池技術(shù)的發(fā)展也逐漸成熟，電動(dòng)汽車的電池在滿足快速充電和續(xù)航里程方面有了很大改變。各大汽車電池廠商公布的數(shù)據(jù)顯示，在較短時(shí)間內(nèi)完成電池80%的充電已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)，怎樣解決電池的使用壽命是現(xiàn)在面臨的主要問題。

1、汽車動(dòng)力電池

動(dòng)力電池是純電動(dòng)汽車能源載體，目前可用作純電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池主要包括鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池和燃料電池。

鉛酸電池是目前技術(shù)最為成熟的電池類型，成本低、性能可靠，有一定耐過充能力，倍率放電性能較好，其最大的問題在重金屬鉛對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，較低的質(zhì)量比能量和體積比能量也限制了鉛酸電池在純電動(dòng)汽車上的應(yīng)用。鎳氫電池?fù)碛谐錾哪瓦^充和過放能力，安全可靠，且能量密度和功率密度較高，在混合動(dòng)力汽車上應(yīng)用較廣。但是在溫度較高時(shí)鎳氫電池的充放電效率很低，此外，鎳氫電池成本較高，對(duì)加工、封裝工藝要求也較高，不適合用于純電動(dòng)汽車。燃料電池理論上是最合適的動(dòng)力電池，其本質(zhì)更像一種產(chǎn)能裝置，使電動(dòng)汽車不受續(xù)駛里程的限制，并且?guī)缀趿阄廴?。但是其成本高、系統(tǒng)效率低、原料儲(chǔ)備困難等問題使燃料電池離全面推廣還有一段距離。相對(duì)其它類型電池，鋰離子電池具有比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、自放電小和快速充電等優(yōu)點(diǎn)，這也是現(xiàn)在電動(dòng)汽車普遍選用鋰離子電池作為車用動(dòng)力電池的原因。

2、電池均衡技術(shù)研究

均衡技術(shù)研究主要集中在兩個(gè)方面：均衡策略研究與均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究。均衡策略研究著眼于尋找合適的均衡變量，針對(duì)該均衡變量結(jié)合一定的統(tǒng)計(jì)學(xué)方法建立不一致性評(píng)價(jià)指標(biāo)，并根據(jù)某種均衡電路尋找合適的均衡路徑，確立最佳均衡閉值等。均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則著重研究實(shí)現(xiàn)均衡的最佳電路結(jié)構(gòu)，在保證均衡效率的情況下盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)降低成本。

2.1 均衡策略研究

均衡策略研究的基礎(chǔ)是選擇合適的均衡變量，有國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于電池管理系統(tǒng)以工作電壓作為充放電截止條件和均衡變量，謀求充放電過程中工作電壓保持一致。以工作電壓作為均衡變量可以避免荷電狀態(tài)(SOC)估算問題，電壓測(cè)量簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，對(duì)嵌入式系統(tǒng)資源要求較低，但工作電壓并不能真實(shí)反映電池組容量狀態(tài)的一致性，且受電池內(nèi)部多種因素影響，均衡效果不穩(wěn)定，很容易波動(dòng)。美國(guó)Akron大學(xué)Sriram Yarlagadda等人以SOC為均衡變量在MATLAB環(huán)境下對(duì)均衡效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，但在實(shí)際應(yīng)用中仍以工作電壓作為均衡變量。北京交通大學(xué)李索宇則采用了一種類似開路電壓法的SOC識(shí)別方法，在電池組充電末端建立了開路電壓和極化電壓之和與SOC之間的關(guān)系，消除了極化電壓以及內(nèi)阻壓降對(duì)SOC估算的影響，從而能夠?qū)崿F(xiàn)SOC的實(shí)時(shí)估算，使基于SOC的均衡控制策略得以實(shí)現(xiàn)。

在均衡過程具體實(shí)現(xiàn)方面，浙江大學(xué)陳晶晶等人考慮了均衡電流造成的極化問題，采取過均衡+滯環(huán)控制的方法，參與均衡的兩節(jié)電池電壓先趨向一致再反向分離，這樣就可以保證停止均衡時(shí)兩節(jié)電池電壓盡可能一致，但是過均衡的程度不易控制，需要通過反復(fù)試驗(yàn)調(diào)節(jié)。韓國(guó)Moon-Young Kim考慮到電壓平臺(tái)階段SOC變化較大而工作電壓變化不大的特殊情況，提出對(duì)電壓平均值進(jìn)行修正,以延長(zhǎng)均衡時(shí)間，從而保證電壓和SOC的統(tǒng)一，但是電壓平臺(tái)階段工作電壓與SOC的關(guān)系受工作電流影響很大，使得修正值的確定存在困難，極端情況下甚至可能增大不一致性。

總體來說，以SOC作為均衡變量被認(rèn)為可以從根本上改善電池組不一致性問題，是目前研究的熱點(diǎn)，但是該方法嚴(yán)重依賴于SOC在線估算精度，因此實(shí)際應(yīng)用中大多均衡系統(tǒng)仍以電壓作為均衡變量，在此基礎(chǔ)上采取一定的策略以單體電壓某種關(guān)系來反映SOC的一致性相對(duì)而言是比較可行的一種方法。

2.2 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

根據(jù)對(duì)所傳遞的能量的處理方式不同，均衡電路可以分為能量耗散式均衡和能量非耗散式均衡(即無損均衡)，國(guó)外有些文獻(xiàn)又分別稱之為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。

能量耗散式均衡主要通過令電池組中能量較高的電池利用其旁路電阻進(jìn)行放電的方式損耗部分能量，以期達(dá)到電池組能量狀態(tài)的一致。這種均衡結(jié)構(gòu)以損耗電池組能量為代價(jià)，并且由于生熱問題導(dǎo)致均衡電流不能過大，適用于小容量電池系統(tǒng)以及能量能夠及時(shí)得到補(bǔ)充的系統(tǒng)。

相比之下，能量非耗散式均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)目前己出現(xiàn)很多種，本質(zhì)上均是利用儲(chǔ)能元件和均衡旁路構(gòu)建能量傳遞通道，將其從能量較高電池直接或間接轉(zhuǎn)移至能量較低的電池，一般可分為電容型、變換器型和變壓器型三種。Kobzev等人提出開關(guān)電容式均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用電容充放電實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，此類構(gòu)型的缺點(diǎn)在于均衡時(shí)間較長(zhǎng)，特別是電池電壓相差不大時(shí)尤其明顯。變換器型均衡電路以Buck, Boost以及Cuk變換器等為基礎(chǔ)利用功率電感實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)換器型電路可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，均衡效率較高，但是往往需要復(fù)雜的開關(guān)陣列和精確的控制算法。變壓器型均衡電路多以反激式變壓器作為基本結(jié)構(gòu)，可分為單磁芯、多磁芯、單副邊、多副邊等多種類型。Moon-Young Kim等人采用的是單副邊雙向反激式變壓器，原邊連接整個(gè)模塊，副邊連入某一節(jié)電池，通過開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)所有單體巡檢。

目前均衡研究的關(guān)鍵問題是如何根據(jù)純電動(dòng)汽車運(yùn)行特點(diǎn)，綜合考慮多種因素對(duì)均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選取或改造，選取可在線獲取的均衡變量并結(jié)合電路特點(diǎn)制定適合不同充放電工況的均衡控制策略，最終能夠在提高電池組容量利用率的前提下盡可能減少能量消耗、縮短均衡時(shí)間。

3、電池模型的建立

電池模型的建立，主要有利于電路模擬的計(jì)算及分析，有效的電池建模能實(shí)際反應(yīng)真實(shí)電池狀況。電池建模所參考的外部變量包括電池端電壓、工作電流、內(nèi)阻、電動(dòng)勢(shì)、SOC、溫度等，找出參數(shù)變量之間的聯(lián)系對(duì)于電池管理系統(tǒng)的開發(fā)具有重要的意義。

電池管理系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力電池建模的要求：(1)在建立電池模型之前，通過特性測(cè)試，充分了解電池的特性。(2)所選擇電池的模型的階數(shù)不宜太高，能體現(xiàn)電池的動(dòng)態(tài)特性。電池模型并非越復(fù)雜越好，盡管復(fù)雜的模型一般來說更能貼近電池的真實(shí)情況，但是復(fù)雜的模型的實(shí)現(xiàn)起來的代價(jià)也相對(duì)較高，不適用于電動(dòng)汽車上實(shí)時(shí)運(yùn)行的嵌入式系統(tǒng)。(3)必須能確定參數(shù)的數(shù)值大小，不能過于強(qiáng)調(diào)模型的形式，應(yīng)該相應(yīng)地給出一套適合于該模型的參數(shù)估計(jì)法。

在蓄電池進(jìn)行放電的過程中，電池的端電壓并不會(huì)保持恒定值，以定電流放電為例，電池的端電壓會(huì)持續(xù)下降。當(dāng)系統(tǒng)對(duì)于電池的端電壓精度要求較高，或?qū)崟r(shí)體現(xiàn)蓄電池真實(shí)情況時(shí)，用簡(jiǎn)單的電池模型做電路模擬就無法看出真正的問題。使用完整的、實(shí)用化的，能真實(shí)呈現(xiàn)電池特性的蓄電池模型，可以針對(duì)蓄電池特性進(jìn)行有效的實(shí)時(shí)管理。到目前為止，電池模型較常被人們所采用的類型主要包括：理想模型、線性模型、戴維寧等效模型、等效電容模型、Pspice宏觀模型。各自模型由于其各自模型特性具有不同的計(jì)算方法。

4、MATLAB仿真實(shí)驗(yàn)

在選定電池類型，參考變量，相應(yīng)算法并且完成了電池模型的搭建以后，就要對(duì)電池模型進(jìn)行在MATLAB環(huán)境下的動(dòng)態(tài)仿真，從而驗(yàn)證電池模型的構(gòu)建是否合理。

為了驗(yàn)證均衡控制策略的控制效果，在MATLAB/Sim PowerSystems環(huán)境下搭建均衡系統(tǒng)仿真模型。SimPowerSys -tems是MATLAB下專門用于仿真電力系統(tǒng)的組件庫，其中內(nèi)置了大部分電力系統(tǒng)組件模型，可與Simulink中其他工具箱結(jié)合搭建復(fù)雜的電力控制系統(tǒng)，并可自動(dòng)分析仿真結(jié)果。

在進(jìn)行電池模型仿真過程中，由于電池在靜態(tài)情況下，充電情況下以及放電情況下各性能參數(shù)的差異，需要將模型建立情況分為：擱置階段均衡控制策略仿真、充電階段均衡策略仿真、放電階段均衡策略仿真。

5、結(jié)束語

近年來均衡控制技術(shù)的研究成為各大高校和汽車公司對(duì)電動(dòng)汽車研究的首要選題，本文對(duì)車用電池發(fā)展現(xiàn)狀，電池均衡控制研究現(xiàn)狀做了綜合性的分析。在整體分析了國(guó)內(nèi)外均衡控制技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，對(duì)電池均衡控制技術(shù)的研究方法和過程做了簡(jiǎn)要的介紹，使大家在了解到電池均衡控制技術(shù)的現(xiàn)狀基礎(chǔ)上也能掌握一定電池均衡控制知識(shí)。

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The Analysis of Battery Equalization control Technology in Electric Vehicle

Shen Baixin
( Automobile, Chang’an University, Shaanxi Xi’an 710064 )

Battery is the core component of the electric vehicle and the service life of battery impacts the development of electric vehicle. Controlling the charge and discharge equalization of the battery is the key factor that decides the battery life. This paper mainly introduces the development of common battery equalization technology and the selection of battery equalization technology parameters. On the basis of the common equilibrium control technology, this paper gives a relatively reasonable equilibrium control method.

electric vehicle; battery service life; battery equalization control

U469.7

A

1671-7988(2016)07-14-03

沈百新，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車工程學(xué)院。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.07.005