蓄电池组能量均衡控制及SOC估算方法研究

张银娟　王永科

摘要：针对蓄电池组中充电特性存在不一致性的问题，从均衡电路拓扑设计和均衡控制策略方面，提出一种基于储能介质的能量转移型均衡方案。通过试验验证，该充电控制策略及SOC估算方法简单有效，可为后续电池管理平台应用提供理论依据。

Abstract： Aiming at the inconsistency of charging characteristics in batteries， an energy transfer equalization scheme based on energy storage medium is proposed from the aspects of topology design of equalization circuit and equalization control strategy. The experimental results show that the charging control strategy and SOC estimation method are simple and effective， which can provide a theoretical basis for subsequent battery management platform applications.

关键词：蓄电池组;数学模型;均衡控制;能量转移

Key words： battery pack;mathematical model;equilibrium control;energy transfer

中图分类号：TM912                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）23-0204-03

0  引言

经常用小容量单体电池组成大的电池组，单体电池间在制造和使用过程中有一定的充电特性差异，随着环境温度的变化以及过充电等不良的使用，单电池反映出来的特性千差万别。这种电池组的充电特性取决于性能最差的单体电池，这种电池组间单电池差异不仅影响电池组使用特性，还会导致电池组的使用寿命降低，甚至远远低于预期使用寿命。同时随着电池组充电次数的增加，这种单体电池的充电特性不一致性将愈趋明显。从均衡控制电池组能量入手，使得电池组单体电池达到充电特性均衡一致的状态，保证电池组正常使用特性和预期寿命[1-4]。

电池均衡问题的本质是使各单体电池间储存和释放的能量达到均衡，虽然电池的外特性可用电压值表示，但是不能精确反映出电池的荷电状态（State of Charge，SOC），提出一种新型的基于能量转移的电池组充电均衡控制策略及SOC估算方法，设计一套以蓄电池作为能量转移载体的功率回路，均衡的判据选择单体电池的蓄电池荷电状态。

1  蓄电池模型及SOC的计算方法

将电池模型通过可控电压源和内阻的形式表达[5-6]，确定电池模型表达式如公式（1）-（3）：

公式（1）-（3）中：E0为电池电压常数值;K为极化电压;Q为电池额定容量;A为指数区间电压降落值;B为指数系数;q为电池放出的容量。

SOC的计算方法如公式（4）和（5）

公式（4）中：SOC为蓄电池当前荷电状态;为蓄电池初始荷电状态;i为电池充放电电流;Q为蓄电池额定容量。

在实际应用过程中，考虑对电池SOC影响较大的库伦效率、温度、电池自放电，提出如下基于安時积分的系数修正公式：

公式（5）中：SOC为蓄电池当前荷电状态;为蓄电池初始荷电状态;i为电池充放电电流;Q为蓄电池额定容量;K1为库伦效率系数;K2为温度系数;kdis为自放电系数

2  电池组均衡控制策略

电池组主动均衡控制策略分为耗散型和转移型。耗散型均衡方法结构和控制简单，是目前广泛使用的方法，但是该方法对于大容量电池组，需要配备大电流、大功率电力电子器件，能量耗散次数多、控制电路复杂、开关切换频繁等因素影响均衡效果;同时能耗消散过程产生温升等安全问题是需要重点解决的问题。

文中采用能量转移型的主动均衡控制策略，电池组均衡控制系统内部设置载体电池，通过载体电池实现电池组内部能量双向转移，本质上将单体电池间的储能得到均衡，以达到电池组单体电池的均衡充电。

2.1 均衡控制原理

单体电池SOC检测过程和电池组均衡过程是电池组均衡控制系统工作的两个基本状态。

单体电池SOC检查状态时通过检测电池组各单体电池SOC，区分出电池组各单体电池SOC的大小，估算电池组平均有效SOC值。当单体电池SOC检测过程完成，均衡控制系统随即进入电池组均衡过程。

电池组均衡过程是两个能量转移的过程，分别为载体电池充电状态和载体电池放电状态。

电池组均衡过程先由单体电池SOC大的电池向载体电池放电，即是将SOC大的电池能量转移到载体电池。当载体电池充满或能量转移完成时，载体电池停止充电开始放电，即载体电池向单体电池SOC小的电池充电。当载体电压下降到设定值或能量转移完成时，此次电池组均衡过程完成。

单体电池SOC检测过程和电池组均衡过程交替循环工作，通过转移能量降低或消除单体电池间SOC的差值，最终完成电池组的均衡控制。

2.2 系统电路拓扑结构

电池组均衡控制系统电路拓扑结构如图1所示，B1-B4代表单体的电池组;B5代表载体电池，需要完成能量轉移时的充电，L组和R组为两级开关，都为升降压斩波器。

SOC检查状态时开关都处于断开状态，定时估算各单体电池SOC，并找出电量最大和电量最小的电池单体。当最大电量偏差大于限值时，即启动均衡过程，进入均衡状态。

均衡状态时，先由SOC大的电池向载体电池B5放电，当能量转移到限值或载体电池充满时即停止，之后再由载体电池向SOC小的电池单体充电，当能量转移到限值或载体电池的电压下降到限值时即停止。此处转移能量计算如式（6）所示。

公式（6）中？驻SOC为最大单体容量值与平均容量值的差值，Q为单体蓄电池的额定容量，IB5为B5的充电电流，t为充放电时间。

能量转移型主动均衡控制策略电路工作原理如下：Bm向载体电池充电时开关Lm、Rm导通，T2完全关断，T1周期性的导通、关断。当Bm的容量下降到电池组的平均值或载体电池充满时，开关Lm、Rm处于断开状态，T1完全断开，载体电池充电完成。载体电池向Bn放电时，开关Ln、Rn处于闭合状态，T1完全断开，T2周期性的闭合、断开。当Bn的容量上升到平均值或载体电池的电压量下降到放电终止电压时，开关Ln、Rn处于断开状态，T2完全断开，载体电池放电完成。

3  试验验证

采用2节锂电池串联，单体额定电压3.2V，容量50Ah。载体电池额定电压2.0V，容量10Ah。

当单体电池间SOC最大差值大于1%时启动均衡。单体电池间SOC最大差值不大于0.1%时结束均衡。以电池组放电电流方向为正，设置充电电流为10A，均衡载体电流为5A，放电电流为10A。

电池组在充电阶段中的均衡过程，取单体电池1的初始荷电容量SOC1=20.9%，单体电池2的初始荷电容量SOC2=20%。图2-图4表明，在线试验充电140s后，SOC1=21.65%，SOC2=20.65%，达到启动均衡的条件，均衡启动，单体电池1开始以5A电流向载体电池放电，在320s电池1停止均衡放电，载体电池开始向单体电池2以5A电流均衡充电，在500s时SOC1=23.04%，SOC2=22.94%，达到均衡停止的条件，均衡结束。

4  结论与展望

一种能量转移的均衡控制策略及SOC估算方法，以单体电池的SOC作为电池组均衡的判据，设计均衡拓扑电路。通过对充电阶段的均衡进行了试验验证，该充电控制策略及SOC估算方法简单有效，可以防止电池组过充电，为后续开发电池管理系统提供理论依据。

参考文献：

[1]马勇刚，刘祖明，姚朝晖.光伏系统蓄电池组不均衡性的故障分析及排除[J].可再生能源，2010，28（2）：98-101.

[2]王占国，文锋，盛大双.新型充电均衡一体化电池管理系统研究[J].电子测量与仪器学报，2012（5）：431-436.

[3]桂长清，柳瑞华.蓄电池内阻与容量的关系[J].通信电源技术，2011，28（1）：32-34.

[4]董博，李永东.基于剩余容量估算的快速蓄电池均衡[J].清华大学学报（自然科学版），2012，52（3）：374-379.

[5]刘征宇，孙庆，马亚东.基于Buck-Boost电路的能量转移型均衡方案[J].电机与控制学报，2017（9）：73-79.

[6]易鸿.一种基于SOC的主动均衡电池管理系统设计[J].电子设计工程，2019（6）：100-103.