车用锂离子动力电池组均衡管理系统发展综述

胡浪　乔俊叁

摘 要：在新能源汽车的发展进程中，动力电池组的各单体电池间之间存在个体差异性。本文从电池的特性出发， 阐述了车用锂离子电池均衡管理系统延长电池组寿命的重要性以及研究的必要性。重点介绍了车用锂离子电池均衡判断标准、锂电池均衡管理技术的国内外发展现状， 以及锂电池均衡管理的不足及发展趋势。

关键词：锂离子电池 均衡 管理

Overview of the Development of Balance Management System for Vehicle Lithium-ion Power Battery Packs

Hu Lang，Qiao Junsan

Abstract：In the development process of new energy vehicles， there are individual differences between the individual cells of the power battery pack. Starting from the characteristics of the battery， this article explains the importance of the vehicle lithium-ion battery balance management system to extend the life of the battery pack and the necessity of research. It mainly introduces the balance judgment standards of lithium-ion batteries for vehicles， the current development status of lithium battery balance management technology at home and abroad， as well as the deficiencies and development trends of lithium battery balance management.

Key words：lithium-ion battery， balance， management

能源危機和环境污染是当今世界面临的两大问题[1]。石油作为一种战略性资源，虽然宝贵但它带来的环境污染同样不容小觑。经过多年的努力，电动汽车的发展已经进入了一个历史突破点。近年来纯电动汽车行业发展迅猛，纯电动汽车产业已达到相当大规模。但目前制约电动汽车行业发展的最大问题仍然是电池管理技术，电动汽车电池一直以来是新能源汽车行业发展的最大阻力。锂电池相比于铅酸蓄电池，具有自放电率低、体积小型化、使用寿命长、比能量高、热效应弱、无记忆性等优点[2]，是电动汽车首选的动力源。但是由于生产加工过程中的电池个体制造差异性及锂电池本身特有的化学属性，使得同批次的单体锂电池初始容量、内阻、电压等方面存在差异[3]，造成锂电池成组使用时存在单体锂电池各参数不一致，因此难以达到完全均衡的充电及放电的目标，电池组内出现电池过充或过放便是常见的现象了，随着充电循环次数增加单体电池各参数成线性规律衰减，从而导致整个电池组无法正常工作甚至报废[4]。由于控制电池生产加工程序还不足以解决电池组的不一致性问题，于是锂电池组均衡管理系统应运而生。

1 电池均衡的判断准则

均衡控制策略判断标准选取的变量，主要有电池容量、电池的荷电状态SOC和电池电压等。现阶段均衡变量的研究热点主要集中在电池的SOC和电池的端电压的精准测量上。

1.1 以电池容量作为均衡判断准则

电池容量，是评价动力电池性能的重要参数之一，随着电池组充电循环次数的增加，各单体电池间容量的差异越来越大，以容量为均衡判断准则是指通过加入均衡控制算法使各单体电池的实际容量基本一致。由于受温度、电池老化、自放电等因素的影响，各单体电池的真实容量并不容易获得，因此容易造成电池组中绝大多数电池有浮电，反而降低了电池的平均使用寿命。

1.2 以电池的荷电状态（SOC）为均衡判断准则

荷电状态（SOC），是评价锂离子电池性能非常重要的指标，它为动力电池的稳定运行提供可靠保证。以电池SOC作为均衡判断准则的前提是能够精确的估算出SOC，但是电池SOC的测量跟电流、电压的检测方法不同，电池SOC需要在精确测量出电池组端电压、电阻、温度、电流等参数的基础上，建立算法和电池模型综合分析来获得。以电池的荷电状态SOC作为均衡的判断准则时，在线实时监控各单体电池的SOC，并设定均衡阈值，一旦差异值设定值启动电池均衡管理系统，直到各单体电池的SOC差异值在均衡阈值范围之内。该均衡方法从理论方面可以达到非常好的均衡效果，但是目前受限于SOC的获取精度问题，建立估算SOC的电池模型及控制算法非常复杂，所以该均衡判断准则是国内外学者共同关注的难点。

1.3 以电池电压为均衡判断准则

以电池电压作为均衡判断准则的基础是能够精准测量出电池的外电压，然后对锂电池组内电压相对较高的单体电池进行放电，反之充电，以此方案将组内电压调整为基本一致，大大提高了电池组的能量利用率，提高了电池组的平均使用寿命。该均衡控制由于各单体电池外电压的检测技术已经非常成熟，并且测量精度高，所以以电压作为均衡判断准则是目前最为可行的方法。

2 锂电池均衡管理技术国内外研究现状

为了让各单体电池的均衡判断参数保持基本一致，均衡管理系统作为BMS的重要组成部分，其地位和作用显而易见。目前电池均衡管理技术主要有能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡2种[5]。能量耗散型即一种通过旁路电阻等将能量较高的单体电池的多余能量以热能形式耗散的均衡方式，也称为被动均衡。非能量耗散型均衡即使用分流元件、电压转换器等将多余的能量传递到低能量的单体电池中[6]，从而实现单体电池电量的互补， 能量利用率和转换率均得到较大幅度提升， 改善了电池组的一致性[7]。

2.1 被动均衡

被动均衡的控制原理是将电池组中能量较高电池中的多余能量以热量的形式散发出去，该均衡方法会造成能源的浪费，不符合当前环保的理念。被动均衡中应用最多的电阻均衡法，其工作模式为，设定均衡阈值，一旦检测到单体电池各参数满足开启条件便将开关关闭，形成放电所需要的回路。该均衡方式由于电路拓扑结构简单而受到了广泛的应用[8]。

2.2 主动均衡

主动均衡能够实现能量直接在单体电池间进行转移，具备散热少、效率高、能量浪费低的特点。主动均衡主要采用电感（电容）和变压器等元件。

2.2.1 电感（电容）均衡

电容（电感）均衡控制方式是采用无源器件电感或电容来作为储能器件，传递单体电池间的能量。通过对电容开关进行控制，实现在电容的充电和欠压电池放电的过程，能量通过无源器件电感或电容进行再次分布， 从而保证电池组中单体电池的电压趋于相同。该均衡方式最大的优点就是几乎不消耗能量，通过将能量进行重新分配来实现电池组的均衡，该种均衡方式主要应用于单体电池之间的能量均衡。文献[9]中基于耦合电感的高效锂离子电池的均衡控制方法，文章中选用了8个电压不同的单体电池进行衡实验，经过120min的均衡时间，各单体电池间的压差仅为10mV，实验数据表明该均衡策略平衡时间快且平衡过程中的能量消耗少。

2.2.2 变压器式均衡

电池串联的情况下适合使用变压器式均衡，由于变压器具备良好的隔离效果。变压器式均衡控制策略是通过将能量高的单体电池的电量进行转化，利用开关线圈的特性能够快速的将电能转化为磁场能并储存起来，当需要均衡时变压器将磁场能又转化为电能给能量低的电池。该均衡方式均衡速度很快，但是由变压器组成的均衡控制器存在漏磁的风险，磁场能量损耗导致均衡效率较低。文献[10]于双向反激式变压器的主动均衡控制策略，文章中选用了12节磷酸铁锂电池串联的电池组作为实验对象，经过8.5h的均衡时间，各单体间的压差降至70mV，电池组的不均衡性得到很大的改善。

2.2.3 DC-DC变换器式均衡

变换器是指能将一种数值的电压值转化为另外一种数值的电压值的设备，DC/DC变换器式均衡是利用开关管等半导体器件结合储能元件形成的均衡管理控制策略，通过算法控制开关管的通断来达到调节功率的目的。该均衡控制策略采用模块化的产品来实现均衡控制，性能稳定、体积小型化，但是需要对模块进行封装，因此目前受限于模块封装技术。

3 锂电池均衡管理的不足及发展趋势

在国家政策的大力支持下，电动汽车行业的发展非常迅速，但是还处于初期研究阶段，而充电均衡管理为电池关键技术之一，现阶段虽有较大的突破及研究成果，但仍然有许多地方需要完善和改正。

（1）由于外电压易获得，所以当前多数充电均衡管理系统都是以外电压作为均衡判断准则的。这样提高电压的测量精度就势在必行了，因此，设计出简单、高效的电压检测电路成为现现阶段首先要解决的问题。

（2）精确估算电池荷电状态SOC仍将是今后研究的重点及难点。

（3）能量转移型均衡就是将容量较高的单体电池转移一些电量给容量较低的单体电池，如电感（电容）、高频变压器等均衡控制电路。该方案虽然有效，但电路的拓扑结构有点复杂，理论上电感、电容是不耗能元器件，但在实际的使用过程中，肯定会消耗一部分电量。

（4）当前虽然出現了许多种均衡控制算法，但是电池组的均衡问题依然没有攻克，因此提出更为优化的控制策略迫在眉睫，对目前成熟的控制策略组合来得到最优的均衡管理系统，将是未来的研究方向。

（5）目前，国外大多数成熟的电池管理系统都是只针对单一特定型号的电池或电池组研发，通用性不够，所以对更为通用的电池均衡管理系统的研发将成为今后发展的方向。

4 结语

新能源汽车作为一种既满足能源损耗及污染均较小之要求的交通运输工具，必将成为未来汽车行业发展新趋势，电池均衡管理系统在电动汽车的发展中起着关键作用，是推动电动汽车发展的必然动力。电池均衡管理系统一直都会是热门研究方向，在未来的研究中，电池均衡管理系统将更好地服务电动汽车，获得更大的进展。

参考文献：

[1]谭泽富.电池管理系统发展综述[J].重庆理工大学学报（自然科学），2019，33（09）：40-45.

[2]韩庆康.锂电池均衡管理控制策略研究[J].装备机械，2019（3）：9-11.

[3]侯湘怡.电动汽车磷酸铁锂电池均衡管理策略综述[J].内燃机与配件，2020，（04）：241-242.

[4]吴铁洲.基于三阈值控制的主动均衡策略研究[J].电源技术，2020，（3）：357-359.

[5]陈涛.电池系统均衡技术研究[J].通信电源管理技术，2020（9）：32-35.

[6]史风栋.锂离子电池组均衡控制方法的研究进展[J].电池，2019（3）：251-253.

[7]鲁文凡.动力电池组均衡控制系统的研究进展[J].电源技术，2017，41（01）：161-164.

[8]汪琦.电池管理系统均衡控制策略研究[J].软件工程，2020，23（09）：13-16.