主动均衡技术的系统设计及应用效果研究

宋金龙

摘 要：动力电池组在使用过程中，电池性能的差异性会不断恶化，这不仅降低了动力电源的使用寿命，也大大降低了电动车辆的续航里程，针对这一问题，文章通过开关矩阵形成多通道双向DC/DC均衡回路，设计出联合变量的主动均衡控制系统，在此系统上进行了大量的试验，分析与验证了其主动均衡技术的有效性与可行性。

关键词：续航里程；开关矩阵；多通道双向DC/DC；联合变量；主动均衡控制系统

引言

自2013年国内锂电行业呈现出繁荣景象，大量的锂电池通过串并联组成的锂离子动力电池组为车辆行驶提供动力。锂电池在充放电平台电压非常稳定，一旦接近充放电末端电压急剧变化，所以动力电池在充电后期与放电后期电压一致性会恶化。随着动力电池组的使用，各节单体电池的电量不一致性也会越来越大。按照“木桶原理”，電池组充放电的容量取决于单体电池容量最小的。所以锂离子动力电池组一致性越差，可使用的能量就越少，造成动力电池组充不满、放不完的尴尬局面。主动均衡技术正是通过电池间进行能量的转移而提高电池组一致性，不仅在原有基础上增加车辆的续航里程，而且也增加了动力电池组的使用寿命。

1 主动均衡控制策略

由于锂电池自身的化学性质决定了锂电池电压不能太高，也不能太低，否则电池内部产生不可逆的化学反应致使电池报废。（以某企业锂电池为例），在充电过程中，出现串联电池电压上升至3.75V，动力电池组充电截止；如果这是动力电池组压差比较大，那么肯定就有一些电池还没有充满。电动车辆在行驶过程中，动力电池组放电，如果有单体电池率先降至2.5V，动力电池组将降至断开，不再给车辆提供能量。同理，放电过程中有单体较快速降至2.5V，而其余绝大部分电池还在3.0V以上，还有相当能量无法被使用。所以主动均衡技术以单体电压作为控制变量，又由于在电池性能劣化后，往往在充放电平台期的时候，电池电压高的电池有时候并不一定是容量大的电池，所以把电池容量作为辅助控制变量对电压均很作为补充很有必要。以容量与电压作为控制变量的主动均衡联合控制原理框图如图1所示。由于单体容量无法测得，我们采用神经网络通过学习拟合电池容量。采用三输入一输出，电池电压、电流、电池温度为输入，单体电池容量为输出。

2 主动均衡系统实现

本设计的双向集中式主动均衡系统是与传统BMS采集监控系统为一体，在电池极柱上增设了主动均衡线，以构建主动均衡回路。图2通过开关矩阵可以实现双向多通道均衡，多节电池之间充电或者放电能力。图2中的主动均衡回路具体由电池动力组、均衡矩阵开关、双向DC/DC模块、12V直流母线五部分组成。黑色线框属于电池均衡模块，以图中的箭头为例，说明了第7串电池通过12V直流母线对第4串电池进行充电。其中，双向DC/DC模块与接电池组一端是2A的恒流源、接直流母线一端乃是电压源。6个电池为均衡通道，每个通道最多只有1支电池进行主动均衡充电或者放电，均衡工作周期为65S，具体为均衡1min后5S停止均衡，这5S重新判断均衡是否开启以及根据均衡策略通过均衡矩阵开关形成相应的均衡回路。

3 主动均衡技术实验及应用效果

均衡系统是在24串60Ah的电池组成的14个电池箱基础上，采用1C恒流充转恒压充与1C恒流放电进行试验。未加均衡前，以此实验步骤获取初始容量以及初始末端压差等指标，加装主动均衡后，对同一箱子以进行多次同样的实验。图3、图4分别反应了主动均衡前后容量对比以及末端放电压差对比。从实验结果可以看出，由于主动均衡系统的介入，电池一致性均得到大幅提高。电池的离散型取得比较好的控制，每一箱电池的容量也都有所增加。

4 结束语

文章采用单体容量与单体电压作为联合变量进行控制，设计多通道双向DC/DC主动均衡产品，并进行了大量的实验，从中实验数据中可以看出，随着充放电均衡，电池箱容量得到提升，即每次充足电后的可放出容量增加了，同时出充/放电电压差异也减少。在锂电行业繁荣的背景下并结合锂电池自身性能，主动均衡技术将拥有很大的市场潜力。

参考文献

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