电动汽车串联电池组电压均衡系统研究进展

2014-07-05沈聃夏正鹏倪红军袁银男廖萍

电源技术 2014年2期

关键词：电池组串联单体

沈聃，夏正鹏，倪红军，袁银男，廖萍

(南通大学机械工程学院，江苏南通 226019)

电动汽车串联电池组电压均衡系统研究进展

沈聃，夏正鹏，倪红军，袁银男，廖萍

(南通大学机械工程学院，江苏南通 226019)

电动汽车的性能和成本很大程度上取决于动力电池组的性能和使用寿命，而电池组的性能和使用寿命又受到电池组均衡系统的影响。综述了电动汽车串联电池组的主要均衡方法，列举了国内外对于SOC预测和电压测量的常用手段，分析了国内外车用串联电池组电压均衡电路，并展望了其发展方向。

电动汽车；动力电池；串联；均衡电路

电动汽车技术的发展对车用动力电池性能提出了更高的要求。目前，单个动力电池在比能量、比功率、充放电效率、循环次数、使用寿命等方面难以满足使用要求，因此电动汽车动力大都由多块电池构成的电池组提供。电池成组的方式一般有串联、并联和混联三种。在同时满足输出功率的前提下，串联方式主要用于满足负载高压特性，多节单电池串成一组后电流相等，可通过电压反映各节电池运行情况。并联方式是为了提高输出电流，由于并联电池端电压始终相等，一方面存在自然均衡现象，因此部分能量会消耗在互相充电的过程中；另一方面，当电池组某单个电池电流发生变化时，其他电池电流也随着变化，从而使其电流均衡难以处理。混联电池包括并串联和串并联两种连接方式。可同时满足电压、电流要求，但是由于电池组工作时，其互充电电流和电池组整体放电电流方向相反，对电池组性能造成能量利用率和输出总功率下降等不良影响。目前，车用动力电池组大都采用串联方式[1]。在串联组合应用中，由于各单体电池在初始容量、内阻、自放电率等方面不同使得电池间具有不同的充放电特性，并且电池在进行过多次充放电循环后还会扩大该种不一致现象，进而导致整组电池容量、输出功率减小，电池利用率下降。若不采取有效措施还会造成单体电池的过充电和过放电，这不仅损坏电池，还可能产生大量热量，引起电池燃烧甚至爆炸，严重影响电动汽车行车安全。因此，针对串联动力电池组采取适当均衡方法来补偿电池间性能差异是非常必要的。

1 电池组均衡方法

电池组均衡方法主要有容量均衡法、化学均衡法、荷电状态(State of Charge,SOC)均衡法和电压均衡法。早期采用容量均衡法，这种方法以电池实际容量趋于一致为目的，采用浮充电压对电池组续充电，但由于该方法导致电池处于过充电状态，缩短了电池寿命，目前已很少使用。化学均衡法是通过电池内部化学反应达到均衡效果，Abraham.K.M等人[2]提出在锂电池电解液中添加一定比例氧化-还原电对的方法，抑制电池正极电位升高，避免电极材料和电解液氧化，提高电池抗过充能力；Chen.J等人[3]经实验证明，组中电压上升较快的电池不会被过充，其他电池还可正常充电，达到均衡充电效果。目前该方法处于理论研究层面，距实际应用尚有一段距离。SOC均衡法是通过动态检测单体电池SOC，当出现SOC不一致时，自动启用均衡系统对电池充放电，直到达到相同SOC，实现电池组均衡。目前研究电池SOC估算有多种手段，如林成涛等人通过安培时间计量法[4]对负载电流积分估计SOC；高明裕等人研究的内阻法[5]根据电池内阻特性，通过试验建立直流内组或交流内阻与SOC的关系；国外V.Pop等人提出的开路电压法[6]简单易行，但需要电池长时间静置，不能满足实时在线检测要求；Tsutomu Y等研究的神经网络法[7]是在建好网络模型的前提下，依靠大量样本进行数据训练可以得到较好的精度；Gregory L Plett则采用卡尔曼滤波法[8]根据采集到的电压电流，由递推算法得到SOC最小方差估计；SOUARDIP M等提出基于模糊基础规则(FRB)的系统[9]，利用温度、电流来计算库仑效率，再用安时法得出SOC值；由C Ehret提出的线性模型法[10]以SOC变化量、电压、电流和前一时间点的SOC为基础，建立线性方程。上述SOC估算方法都有预估不精确、模型复杂，且在电动汽车变电流动态工况下存在缺陷等不足，所以应用起来面临诸多问题，有待进一步改进。

电压均衡法是以单体电池电压为均衡目标，通过均衡电路使得电压趋于一致。2002年Krein[11]发现，电池组内单体电池在相同工况下的开路电压与其充放电状态和SOC几乎是呈线性关系，因此电压可以看作是电池SOC的表征量，并且随着对电池测量电路和芯片的不断改进，单体端电压测量精度已经达到很高的水平，对电池组SOC的均衡可以转化为通过精确的电压均衡来进行。所以现阶段电压均衡法在应用中更易于实现，应用最广泛。

2 串联电池组电压均衡系统工作原理

串联电池组电压均衡系统工作原理见图1。单体电池电压首先由各检测模块获取后经CAN总线传输给中央处理器，由中央处理器分析其电压差异，然后将信息反馈给均衡模块，再通过其控制充电机模块，实现充电时对过充电池回收能量，放电时则对过放电池提供能量，最后使单体电池电压在安全范围内保持一致，最大限度地提高电池组性能、延长电池寿命[12-13]。

图1 串联电池组电压均衡系统工作原理图

3 单体电池端电压检测

通过均衡系统中的检测模块准确而又可靠地获取单体电池的端电压是均衡电路正常工作的前提。很多学者对串联电池组电压测量进行研究，杨朔等人[14]通过电阻分压，将实际电压降低到芯片可承受范围内，读取到的转换电压通过相关计算后乘以衰减倍数得到测量值。该方案测量方便、成本低；欧阳斌林等人[15]使用浮动地技术测量电池端电压，通过控制器改变地电位，此方法由于地点位经常受现场干扰发生变化，地电位难以精确控制所以影响了整个测量精度；李树靖等人[16]采用线性运算放大器组成线性采样电路，经过开关选通需要采集的通道后再经过电压跟随器输入A/D转换器转换，此方法可以直接测量任意一节电池的电压，但是需要很多运放和精密匹配电阻，成本较高；郑敏信等人[17]采用继电器开关阵采样，响应速度快，测量的成本相对较低，开关无触点，能够起到电压隔离的作用，缺点是触电寿命有限且噪声大；除了上述方法外，还有诸如采用分立元件、运算放大器结合P型晶体管等。

4 串联电池组电压均衡电路

串联电池组电压均衡电路近年来也得到了很大的发展。例如德国Kaiserse Lautern大学、美国凌立尔特公司、日本丰田公司等。很多公司也为此开发了专用芯片，美国Intersil公司最近研发一系列芯片ISL92OS/16/17可以做到最多12节串联小容量锂离子电池均衡。哈尔滨工业大学、上海交通大学等对电池均衡工作也做了比较深入研究。但总体而言，国内技术还有待进一步提高[18-19]。

对串联电池组均衡电路主要有两类方法：一是能量消耗型，即给电池组中每节单体电池并联一个分流电阻，将多容量电池中多余能量消耗掉，达到均衡目的；二是能量非消耗型，即采用电感、电容作为储能元件，利用常见电源变换电路将多余能量在电池间进行重新分配，达到电池间能量转移[20]。

4.1 能量消耗型

能量耗散型一般有两种类型，Stuart T A[21]等研究的恒定分流电阻均衡充电电路[图2(a)]和开关控制分流电阻均衡充电电路[图2(b)]。其中后者的分流电阻是通过开关控制的，在充电时，通过对单体电池电压的巡检，发现某节单体电池达到充电电压上限时，导通与其并联的单体均衡模块的开关，将多余的能量转化为电阻的热能。同时，未充满的电池仍然可以继续充电，直到充满为止。这种电路可靠性高、价格低廉，且电路结构简单。但是缺点是效率低下，无法控制分流电流，存在能量浪费和热管理的问题。

图2 能耗型均衡电路

4.2 能量非消耗型

能量非耗散型电路的耗能比能量耗散型要小，但电路结构也相对复杂，大致可分为能量转移式均衡和DC-DC变换器法两种。

4.2.1 能量转移式均衡电路

能量转移式均衡电路首先以LI Hai-dong研究的[22]电容式均衡电路为例[图3(a)]，该电路通过切换电容开关，由电容传递相邻电池间的能量直到均衡。Baughman A C经研究发现这种电路虽然能量损耗很小，但是要想达到均衡须经过多次传输，效率低下[23]。改进的电容开关均衡方式可通过选择,将多余的能量直接转移到电压低的单体电池上，而不用通过整个电池组逐级转移，使均衡效率得到提高。

Zhao Juan等研究[24]的电感式均衡[图3(b)]与电容式均衡类似，是将电感作为储能工具，实现多余的电量在电池间传递。与电容式均衡类似，电感式均衡在同时对多节电池进行均衡时，其控制策略复杂且均衡时间过长，效率有待提高。

4.2.2 DC-DC变换器法

4.2.2.1集中式变压器均衡

集中式拓扑通过一个多输出的变压器，从电池组获取能量后将能量传递到电压最低的电池中。它一般分为两种方式，即变压器方法均衡和继电器网络均衡。本文只对第一种均衡方法进行分析。如图4所示，就是一个由单向隔离反激变换器和多副边绕组变压器组成的集中式均衡方案。变压器的原边接动力电池组的两侧，副边一侧的每个线圈对应各节单体电池。当系统检测到某个单体电池电压过低时，变压器电池组一侧的开关管导通，与原边形成回路，能量存储在变压器线圈中；当开关断开时，变压器中的能量就会释放给电池单体，能量较低的电池吸收能量[25]。

图3 能量转移式均衡电路

图4 集中式均衡方案

这种结构的优点是可多节电池同时均衡，均衡效率很高。缺点是次级绕组根本不可能做到完全匹配，变压器存在漏感所造成的电压差也很难补偿，且不易于模块化，在整个均衡过程中，还无法测量单体电池电压。

4.2.2.2分布式变压器均衡

(1)隔离型

所谓隔离型就是指DC-DC变换器的主次级相隔离，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量。而它又可以分为正激和反激两种拓扑方式。正激反映的是脉冲变压器的原/副边的相位关系,确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器副边同时对负载供电。反激则和正激完全相反。

在Kutkut N H等研究的隔离型拓扑[26]中，反激式结构最为常用。它适合于电动汽车串联电池单体数量较多的电池组均衡。其优点是开关元件的电压等级与串联级数无关，均衡效率高，电路结构模块化好，容易扩充。缺点主要有变压器效率不高，磁路复杂存在漏感，要做到各副边参数一致较困难。该拓扑可继续分为单向和双向结构，如图5所示。对于单向结构的均衡器，使用自组高压到单体低压的变换器适用于放电均衡，使用自单体低压到组高压的逆变器适合充电均衡。而双向结构的变换器的输入输出都可以动态调整，实现单体和组之间的双向能量传递，无疑更具优势。

图5 (a)单向结构和(b)双向结构

(2)非隔离型

非隔离型是指输入端与输出端电气相通。在相邻电池间的DC-DC均衡电路是一个双向无变压器的结构，因此适用于串联电池单体数目较少的情况。比较常用的拓扑形式有Buck/Boost和Cuk[27]。

Kutkut N H[28]率先研究的Buck/Boost双向变换器法如图6(a)，在每个相邻的单体电池间连接一个Buck/Boost变换器。它通过比较相邻电池间的电压，将高电压电池的能量通过变换器转移到低电压电池中去。这种方法的优点是能量损耗低，电压均衡速度快，对充放电状态都可进行电压均衡，但缺点是需要的电感、开关管等功率器件多、控制复杂、成本高。它适用于充放电功率高的场合[29-30]。

祁新春等[31]研究的Cuk双向变换器法见图6(b)，它在每两个相邻电池间都有一个Cuk变换器，通过变换器将高电压电池的能量转移到低电压电池中。与Buck/Boost法相比，电路上的电感电流纹波小、损耗低、效率更高，但上述Buck/Boost的缺陷依然存在。

4.2.2.3其他改进DC-DC拓扑结构

针对以上两种非隔离型DC-DC均衡电路所存在的问题，还发展了以下两种新的拓扑结构，如图7(a)所示，当组中的某一节电池电压过高时，相应的晶体开关管导通，从而吸收该电池的能量于电感中；当开关管关断时，电感则通过其余的均衡单元给电容器充电，当电容电压达到一定阀值时，最后通过开关管Qn+1和电感Ln+1将能量馈送回整个电池组。该电路的优点是元器减少，动态均衡效果好，但是开关管的电压应力较大，并不适用于大功率高电压的动力电池组中[32]。图7(b)所示的电路中，当其中一节单体电池电压过高时，相应的开关管同样会导通，此时能量会储存在对应的两个电感中；当开关管断开时，对应的两个储能电感分别通过其他各个开关管的体二极管续流，将能量依次传送到相邻两部分的其他电池。这种电路同样元器件少，但是随着电池数量增多，均衡电流随电池位置趋于两端而减小，降低了均衡效率[33]。

图7 基于DC-DC的改进拓扑结构

5 总结与展望

串联电池组电压均衡电路虽然研究相对较早也有长足发展，出现各种拓扑形式的均衡方案，在一定误差允许范围内，也可以有效地运行，但依然无法很好做到大电流下动态均衡，还需在以下方面做进一步研究：

(1)研究出新的均衡拓扑结构，包括考虑应用软开关和磁损耗优化等方法，研究出体积小、损耗小、更加智能的均衡电路模块。

(2)未来串联电池组均衡应向高效可靠、易模块化、可级联性和实用性强，要解决好大电流下动态均衡，还要防止因电力转换部的传导干扰和电路外部的高频干扰而导致错误动作发生。

(3)在均衡控制策略上，应研究新的均衡算法，例如把电压均衡和SOC均衡结合起来，以提高均衡效率和均衡速度。

(4)在进一步提高电池制造工艺水平的同时，针对不同电池组可以考虑开发一个统一控制测试平台，让动力电池组均衡有望实现工程化。

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Research progress of equalization charging for EV traction battery

SHEN Dan,XIA Zheng-peng,NI Hong-jun,YUAN Yin-nan,LIAO Ping

Performance and cost of electric vehicles were depended largely on the performance and service life of the battery pack.Performance and service life of the battery pack were influenced by the balancing system of the battery pack.Electric vehicle series battery pack balancing method was summarized;the domestic and foreign common means for SOC estimation and voltage measurement were cited.Domestic and foreign car series battery voltage equalizer circuit was analyzed,and its development direction was prospected.

electric vehicle;power battery;series;equalizing circuit

TM 912

1002-087 X(2014)02-0390-04