動(dòng)力電池包離線均衡維護(hù)設(shè)備研究

蘇慶列 黃登高 謝俊淋 王 旭

（1.福建船政交通職業(yè)學(xué)院汽車學(xué)院 福建福州 350007；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

隨著能源危機(jī)、環(huán)境污染等問題的日益嚴(yán)重，世界各國(guó)對(duì)碳中和的訴求越來(lái)越高，新能源領(lǐng)域的發(fā)展步提速。鋰離子電池作為新能源儲(chǔ)能元件，具有能量密度高、充放電特性好、使用壽命長(zhǎng)、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和軌道交通領(lǐng)域。在電動(dòng)汽車高功率、高能量密度要求的條件下，單個(gè)鋰離子電池并不能滿足要求，需要對(duì)多個(gè)鋰離子電池進(jìn)行串并聯(lián)組合使用，形成動(dòng)力電池包（Battery pack）。伴隨著動(dòng)力電池包使用壽命的不斷衰減，單體鋰離子電池之間的不一致性常常造成電池包容量衰減過快、功率倍率下降等問題[1]。

動(dòng)力電池包的不一致性就是指同一規(guī)格型號(hào)的電池單體組成動(dòng)力電池包后，其電壓、容量、內(nèi)阻、壽命、自放電率等參數(shù)的差別。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包在長(zhǎng)時(shí)間使用之后，隨著壽命的衰減，單體電池荷電量體現(xiàn)很大不一致性，直接體現(xiàn)為電池單體電壓的不一致性。電池單體過壓和欠壓容易導(dǎo)致電池?zé)崾Э兀＜败囕v和人員安全[2]。張智勇等人[3]的研究表明，對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行均衡維護(hù)，可以改善電池包各串聯(lián)單體之間的不一致性，提高電池包的容量、充放電功率和使用壽命。

按照電池均衡的實(shí)時(shí)性可以分為在線均衡和離線均衡。在線均衡是利用電池管理系統(tǒng)（Battery manage system，BMS）在電池使用中實(shí)時(shí)對(duì)電池單體進(jìn)行均衡，不影響電池包的正常使用。在線均衡電流一般較小，系統(tǒng)設(shè)計(jì)水平要求較高。離線均衡則是在電池售后維護(hù)階段對(duì)電池單體欠壓的位置進(jìn)行補(bǔ)電或者耗電，提高電池均衡的速度，彌補(bǔ)在線均衡缺點(diǎn)。按照均衡過程中能量是否有損耗可分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡[4]。

被動(dòng)消耗均衡是最早的電池單體均衡方式，是通過在各單體電池兩端并聯(lián)耗電電阻進(jìn)行放電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池包內(nèi)各電池單體之間的均衡[4]。主動(dòng)轉(zhuǎn)移均衡是將電能從電量高的電池單體轉(zhuǎn)移到電量低的單體，常采用開關(guān)電感法、DC/DC變換法等[5]。主動(dòng)補(bǔ)電均衡則是利用一個(gè)多輸出的變換器對(duì)電池包中容量低的電池單體充電，輸入為外部電源[6]。主動(dòng)補(bǔ)電均衡常用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包售后維護(hù)保養(yǎng)階段，解決電池管理系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)法在線實(shí)時(shí)均衡的難點(diǎn)。

充分結(jié)合兩類設(shè)備的特點(diǎn)，研究一種單AC/DC模塊與多路繼電器開關(guān)復(fù)用的電池包離線均衡維護(hù)設(shè)備。電池包離線均衡維護(hù)設(shè)備利用精準(zhǔn)AC/DC程控隔離電源提供外部補(bǔ)電電源，采用繼電器開關(guān)組和電池單體連接，實(shí)現(xiàn)電池包單體電壓掃描和均衡控制。該方案相比于現(xiàn)有方案，顯著降低了DC/DC模塊數(shù)量，均衡電流大小可控，模塊化程度高，擴(kuò)展方便，便于動(dòng)力電池包售后市場(chǎng)使用。

一、動(dòng)力電池包的離線均衡原理

隨著電動(dòng)汽車動(dòng)力電池包的壽命衰減，電池包內(nèi)電池單體之間的不一致性加劇。車輛運(yùn)營(yíng)企業(yè)一般會(huì)定期將電池包進(jìn)行拆解，采用電池均衡設(shè)備對(duì)電壓偏低的電池單體進(jìn)行補(bǔ)電，降低電池單體電壓的離散程度。針對(duì)動(dòng)力電池包需要定期維護(hù)的場(chǎng)景，本研究在動(dòng)力電池包上提前預(yù)留一個(gè)電池包的均衡維護(hù)外部端口，降低電池包拆解的次數(shù)，方便電池均衡維護(hù)。動(dòng)力電池包外部維護(hù)端口的電器架構(gòu)原理，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力電池包外部維護(hù)原理

圖1中，Jet為預(yù)留在電池標(biāo)準(zhǔn)箱體的電池單體維護(hù)端子，用于連接每個(gè)電池單體正負(fù)極與外部的接口。Jet端子不使用時(shí)，采用防水密封端子封堵，使用時(shí)打開，連接外部維修線束。K1～K6為電池單體均衡位置控制的繼電器，受到均衡電控單元（Electric control unit，ECU）的控制，其數(shù)量依據(jù)電池包內(nèi)電池單體串?dāng)?shù)進(jìn)行擴(kuò)展。AC/DC為程控的外部電源，實(shí)現(xiàn)電池均衡電壓和電流的精準(zhǔn)輸出。

二、動(dòng)力電池包離線均衡方案

（一）電池均衡系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)。均衡電流的大小與均衡目標(biāo)、均衡方式、均衡周期和電池工況等有關(guān)[5]。電池單體的均衡時(shí)間與其需要補(bǔ)充的電荷容量和充電均衡電流密切相關(guān)。電池單體均衡所需要的時(shí)間（公式1）：

式中t是電池單體均衡所需時(shí)間（h）；ΔQ是電池單體需要均衡的容量（Ah）；I是均衡電流的大?。ˋ）。

電池單體的充電電流和充電電壓受到電池性能的影響和安全性的約束。均衡過程中電池電壓應(yīng)該小于電池許可電壓，電池電流小于電池許可充放電電流（公式2）。式中，T是電池溫度（℃）；SOC是電池剩余荷電量百分比（SOC，State of charge，%）。

電池包一般是多個(gè)電池單體串聯(lián)組成，電池包離線均衡設(shè)備需要考慮高壓隔離，避免設(shè)備損壞。外部電源、繼電器開關(guān)、進(jìn)行端子及線束需要滿足隔離電壓的限制。隔離電壓要求（公式3）：

式中，Vcut是隔離期間要求的耐受電壓；N是電池包內(nèi)電池單體的串聯(lián)數(shù)量；Vcellmax是電池單體的最高電壓。

電池開路電壓和電池剩余荷電量的關(guān)系可以采用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，函數(shù)表達(dá)式（公式4）：

式中，Qsoc是電池單體的剩余荷電量，Uocv是充分靜置后的開路電壓。

外部電源與電池單體之間存在較長(zhǎng)的線束，且需要串聯(lián)繼電器、接插端子等部件，外部電源輸出端與電池極柱之間存在沿程電阻Rtotal，其計(jì)算表達(dá)式（公式5）：

式中，Rline是均衡線路的導(dǎo)線電阻；Rjet是均衡線路中接插件的接觸電阻；Rother是均衡線路中其他寄存電阻。受制于電池單體在電池內(nèi)部的布置，外部電源與被均衡電池單體之間的線長(zhǎng)存在差異，外部電源兩端與電池極柱的電壓壓降存在不一致性。為了便于獲得線路的內(nèi)阻，本研究用恒流測(cè)試激勵(lì)，采集兩組電壓，計(jì)算獲得電池均衡通道的電阻值（公式6、7）。式中，URt1、Ubat1、I1是第一組外部電源電壓、電池極柱實(shí)際電壓和激勵(lì)電流；URt2、Ubat2、I2是第二組外部電源電壓、電池極柱實(shí)際電壓和激勵(lì)電流。

沿程電阻Rtotal的計(jì)算公式如下公式8所示。

電池單體并聯(lián)之后，其內(nèi)部直流內(nèi)阻遠(yuǎn)小于線路延遲內(nèi)阻，且小電流時(shí)電池極化內(nèi)阻影響不大。令Ubat1≈Ubat2，可進(jìn)一步獲得如下公式9。

為了便于監(jiān)控電池單體電壓和均衡設(shè)備輸出電壓之間電壓差，可設(shè)定電池的均衡電流和均衡電壓差ΔVset，電池均衡電流（公式10）。式中，Ibat為均衡設(shè)備給電池單體進(jìn)行的均衡電流。

受制于線束長(zhǎng)度、沿程電阻大小和電池充電安全性考慮，本研究將電池均衡電流設(shè)置為固定值2A。

參考公式4，鋰電池單體可以通過開路電壓體現(xiàn)出來(lái)，電池包內(nèi)單體容量差的計(jì)算如公式11、12、13和14所示。式中，是電池包內(nèi)電池單體的平均剩余荷電量；Qi是電池包第i個(gè)電池單體的剩余荷電量；QΔi是電池包內(nèi)第i個(gè)電池單體剩余荷電量與平均剩余荷電量的偏差；是電池包內(nèi)電池單體的平均電壓；Ui是電池包第i個(gè)電池單體的電壓；UΔi是電池包內(nèi)第i個(gè)電池單體電壓與平均電壓的偏差。

電池包內(nèi)電池單體的均衡時(shí)間（公式15），式中，tibal是電池包第i個(gè)電池單體均衡完的時(shí)間。

當(dāng)電池包中存在多個(gè)電池單體需要補(bǔ)電，電池包總的均衡時(shí)間公式16。式中，tpackbal是整個(gè)電池包內(nèi)所有單體均衡完成的時(shí)間。

（二）電池均衡系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)。電池離線均衡維護(hù)設(shè)備是通過外部電源與整個(gè)電池包進(jìn)行連接，采用隔離AC/DC程控隔離電源和繼電器開關(guān)組與電池包內(nèi)每個(gè)單體之間建立獨(dú)立鏈接。電池離線均衡維護(hù)設(shè)備主控單元如圖2所示。

圖2 電池包離線均衡設(shè)備的控制單元

電池包離線均衡設(shè)備的控制單元（Electric control unit，ECU）負(fù)責(zé)控制電芯均衡電流電壓和繼電器通斷，運(yùn)行電池包外部均衡的策略。控制單元主要硬件包括：主控板、從控板1、從控板2和程控電源。主控板具備CAN通訊功能，承載均衡控制策略運(yùn)行和單體電壓采集，協(xié)調(diào)從控板1、從控板2和程控電源工作狀態(tài)。從控板個(gè)數(shù)隨著需要維護(hù)的電池包串?dāng)?shù)增加而進(jìn)行調(diào)整。主控板、從控板均采用外部12V電源供電。從控板負(fù)責(zé)控制均衡通道的通斷，接受主控板的繼電器通斷指令，具備CAN通訊功能。程控電源由MCU、CAN通訊和隔離AC/DC模塊組成，可以支持給定的恒流和恒壓控制。

依據(jù)原理圖成組的電池包離線均衡設(shè)備實(shí)物，如圖3所示。實(shí)物硬件采用模塊化設(shè)計(jì)思路，將電池包離線均衡設(shè)備的控制單元、內(nèi)部均衡電路、外部接口進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)和布置。均衡設(shè)備最大輸出電流5A，輸出電壓范圍為1.5-12V，支持48路串聯(lián)電池單體均衡，電池單體電壓采集進(jìn)度為1mV。電池維護(hù)設(shè)備的主要參數(shù)如下表1所示。

圖3 電池均衡設(shè)備實(shí)物

表1 電池維護(hù)設(shè)備主要參數(shù)

三、動(dòng)力電池包離線均衡控制策略

電池包離線均衡設(shè)備的控制流程如下4所示。本均衡設(shè)備工作時(shí)，首先將整車電池電量采用快充樁調(diào)整到滿電狀態(tài)。在車輛滿充之后，電池電壓受到快充大電流的影響，電池電壓存在逐步回落過程，待電池單體電壓回落穩(wěn)定之后，電池的開路電壓和電池剩余荷電量存在相對(duì)穩(wěn)定的關(guān)系。此時(shí)，連接和啟動(dòng)電池包離線均衡設(shè)備，對(duì)電池包內(nèi)電池單體進(jìn)行掃描電壓，記錄電池單體電壓和計(jì)算每個(gè)通道的沿程電阻。

實(shí)際工程應(yīng)用過程中，如果小電流持續(xù)給電池過充電，有電池?zé)崾Э氐娘L(fēng)險(xiǎn)。在工程實(shí)踐中，如果電池單體電壓偏差大于200毫伏，電動(dòng)汽車常會(huì)出現(xiàn)警告指示燈，本研究將該數(shù)值作為一個(gè)閾值，判斷是否對(duì)該電池包進(jìn)行均衡維護(hù)，均衡額的目標(biāo)是使得電池壓差小于200毫伏?？刂茊卧?jì)算獲得需要補(bǔ)電的電池單體位置之后，采用繼電器開關(guān)的切換，分別對(duì)電池單體進(jìn)行補(bǔ)電。目標(biāo)均衡電壓為電池組的平均電壓，單體均衡的時(shí)長(zhǎng)限制值為tibal?？刂茊卧刂频妮敵鲭娏?，并確認(rèn)電池單體的電壓和時(shí)長(zhǎng)是否達(dá)到邊界條件，如果結(jié)束則進(jìn)入下一節(jié)單體均衡維護(hù)。在所有需要均衡的電池處理完或者人工故障處理完成之后，電池包離線均衡設(shè)備工作結(jié)束。

圖4 電池維護(hù)設(shè)備的控制流程

四、動(dòng)力電池離線均衡測(cè)試

（一）電池包離線均衡參數(shù)校核。依據(jù)實(shí)踐數(shù)據(jù)表明，電池包在特殊工況下，容易存在1-2個(gè)電池單體容量偏低，本研究的實(shí)驗(yàn)電池包為某純電動(dòng)公交車輛標(biāo)準(zhǔn)電池箱，如表2所示。假設(shè)一個(gè)電池單體容量偏差設(shè)定為20%時(shí)，依據(jù)電池單體串聯(lián)的“木桶效應(yīng)”，電池包整體剩余容量為80%，使用壽命將顯著縮短。依據(jù)電池包離線均衡設(shè)備參數(shù)和試驗(yàn)電池包參數(shù)，測(cè)算電池包離線均衡的時(shí)長(zhǎng)如表3所示。

表2 公交車輛電池參數(shù)

表3 電池包離線均衡測(cè)算結(jié)果

（二）電池包離線均衡設(shè)備實(shí)驗(yàn)測(cè)試。依據(jù)電池包離線均衡的運(yùn)行策略，將電池包離線均衡設(shè)備的外部接口與公交車輛電池包進(jìn)行連接，開展電池包離線均衡測(cè)試。

經(jīng)過20個(gè)小時(shí)的電池均衡設(shè)備運(yùn)行，電池包均衡前后的電池單體電壓對(duì)比如圖5所示，共計(jì)對(duì)18個(gè)電池單體進(jìn)行了補(bǔ)電。電池包均衡前后的電池單體電壓的變化如表4所示。電池包均衡之后，電池單體之間最大電壓差從235毫伏降低到196毫伏，電池包內(nèi)單體電壓最高值不變，電池單體最低值提升。

圖5 電池包均衡前后的電壓對(duì)比

表4 均衡前后電壓差數(shù)值對(duì)比

五、結(jié)論

本文提出了一種電池包離線均衡維護(hù)設(shè)備，研究了電池包均衡設(shè)備的基本硬件、軟件和控制策略，探索了一種電池包維護(hù)的新方式。電池包離線均衡維護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)分為設(shè)備控制單元、程控電源、均衡設(shè)備內(nèi)部繼電器單元、箱體和線束結(jié)構(gòu)。該均衡維護(hù)設(shè)備可以采用一個(gè)獨(dú)立AC/DC隔離電源模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)多路串聯(lián)電池單體的電量補(bǔ)充，相比于現(xiàn)有多電源方案可以有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度和制造成本。

電池包離線均衡設(shè)備的參數(shù)設(shè)計(jì)充分考慮了電池包均衡線路的線路壓降，開展了研發(fā)的電池包離線均衡設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)備可以滿足電池包級(jí)別的電池單體均衡維護(hù)。