一种适用于多工况的电动汽车电池均衡算法

2021-07-25卜凡涛刘木林吴清平

机电工程技术 2021年6期

卜凡涛，刘木林，吴清平，孙洋，林辉

（东软睿驰汽车技术（沈阳）有限公司，沈阳 110000）

0 引言

随着电动汽车的普及，越来越多的动力电池投入到市场中。往往一个电动汽车的单体动力电池数目有成百上千只，以特斯拉Tesla Model S 85车型为例，整个车辆共有7 104节单体电池，而每节电池是不一致的，在生产过程中，即使是同一型号、同一批次的电池也会存在个体的初始差异，其中电池材料的不一致性以及生产工艺等因素会造成容量、老化特性和性能特性等方面表现出差异[1－2]。根据“木桶原理”，运行中的整个电池组的放电容量取决于电量最低的单体，因此为电池组配备均衡电路，对各单体实施均衡，减小二者之间的电量差异，使电池趋于一致，这对整个电池组放电容量的提升具有积极意义[3]。利用均衡控制技术使电池组内各单节电池荷电状态（State of Charge，SOC）趋于一致，可以提高动力电池组的能量利用率，减少电池组使用耗损，保障整个用电设备的运行安全[4]。

现在有很多的均衡技术和方案，这些方案分为能耗性和非能耗性两类[5]。本文采用了能耗性均衡方案，此方案又称为被动均衡，在均衡过程中以电池实时电压作为均衡变量，采用电阻等耗能器件对电池组中SOC较高单体中的电荷进行消耗，直至与其他单体的电压或参考电压保持一致[6]。非能耗性又称主动均衡，是通过储能元件将电量多的部分传递给电量较少的电池[7]。

1 电池OCV电压特性

均衡变量的选取一般有开路电压、工作电压和SOC 3种方式。本文选取SOC作为均衡变量[8－9]。

当电池在充放电时，电池正负极间的电压高于或低于电池开路电压，电池断电后，经过一段时间的静置使电池回到平衡状态，电池端电压会稳定至开路电压[10]。经过试验确认，电池的OCV电压是在静置至少1 h的电压值，此时电池的电压认为已达到稳定，如图1所示。根据图中可以看出，当电池在放电停止后，会有电压的迅速反弹，此反弹电压是由于电池的内阻分压导致；然后电压缓慢回升，此回升电压是由于电池中的电容导致。本文中的均衡算法会对此现象进行处理，消除此反弹电压对OCV的影响，进而能够在不同工况下进行均衡时间的计算。

图1 电池电压静置1 h的电压曲线

2 均衡算法

2.1 均衡中OCV查表的SOC误差

市场上的电动汽车都会有均衡算法，但是一般是采用被动均衡，当电池在放电末期时计算均衡时间。但是由于电动汽车越来越普及，很多电动汽车已推广到出租车行业，而在出租车运行时，一般很少能够使电动汽车达到充电末期，可能在快充到80%就已开始放电，导致无法计算均衡时间。

本文提出的均衡算法不仅适宜于充电，也适宜于放电。放电由于反弹电压的存在对OCV电压的采集会等待1 h以上，本文通过大量实验得到静置时间与OCV查表得到的SOC误差关系表，如表1所示。

表1 SOC误差与静置时间关系

实验步骤如下：

（1）选取静置时间段，在不同温度，不同电流下放电10 min后静置1 h的单体电压和SOC数据；

（2）根据步骤（1）选取的时间段，找到此时间段单体电压和静置1 h后单体电压分别查找OCV后的SOC差，此SOC差即为SOC误差；

（3）根据步骤（2）对不同时间段分别实验，得到所有时间段的SOC误差。

2.2 均衡时间计算

2.2.1 充电中的均衡时间计算

当最低温度小于T0，（默认值0℃，标定量）或温差大于ΔT（默认值5℃，标定量）时，不进行均衡时间计算。当充电电流小于或等于4 A（标定量）时，单体最大电压大于或等于4.1 V，且持续T_Charge_balacne（10 s，标定量），重新通过OCV计算每个单体的SOC（i），计算出需要比较的阀值；根据当前SOCi的大小，确定开启均衡的阀值，对应关系为SOC[100%~0%]，对应[∇SOCmin－∇SOCmax]（默认值[2%~5%]，可标定），对应关系如下：

如果SOCi－SOC阈值≥∇SOCi＋buff5(buff5由于小电流充电且在充电末端，OCV的误差可忽略，buff5默认值为0，可标定），需要开启均衡，并更新均衡时间，均衡时间如下：

如果SOCi－SOC阈值＜∇SOCi＋buff5，则不需要开启均衡。即：

2.2.2 放电中的均衡时间计算

放电中的均衡时间计算如下。

（1）静置时间T＜T1（14 min，可标定），读取上一次均衡时间。

（2）若上电时，电池最低温度小于或等于T10（0℃，可标定），不更新均衡时间。

（3）静置时间T1≤T＜T2（T1＝14 min，T2＝26 min，可标定），重新通过OCV计算每个单体的SOC（i），计算出需要比较的阀值；根据当前SOCi的大小，确定开启均衡的阀值，对应关系为SOC[100%～0%]，对应[∇SOCmin－∇SOCmax]（[2%～5%]，可标定），对应关系如下：

如果SOCi-SOC阀值≥∇SOCi＋buff1(buff1＝4%，可标定），需要开启均衡，并更新均衡时间，均衡时间如下：

如果SOCi-SOC阀值＜∇SOCi＋buff1(buff1＝4%，可标定），不需要开启均衡，即：

（4）静置时间T2≤T＜T3（T2＝26 min，T3＝45 min，可标定），重新通过OCV计算每个单体的SOC（i），计算出需要比较的阀值；根据当前SOCi的大小，确定开启均衡的阀值，对应关系为SOC[100%～0%]，对应[∇SOCmin－∇SOCmax]（[2%～5%]，可标定），对应关系如下：

如果SOCi-SOC阀值≥∇SOCi＋buff2(buff2＝2%，可标定），需要开启均衡，并更新均衡时间，均衡时间如下：

如果SOCi-SOC阀值＜∇SOCi＋buff2(buff2＝2%，可标定），不需要开启均衡，即：

（5）上电时间T3≤T＜T4（T3＝45 min，T4＝60 min，可标定），重新通过OCV计算每个单体的SOC（i），计算出需要比较的阀值；根据当前SOCi的大小，确定开启均衡的阀值，对应关系为SOC[100%～0%]，对应[∇SOCmin－∇SOCmax]（[2%～5%]，可标定），对应关系如下：

如果SOCi-SOC阀值≥∇SOCi＋buff3(buff3＝1%，可标定），需要开启均衡，并更新均衡时间，均衡时间如下：

如果SOCi-SOC阀值＜∇SOCi＋buff3(buff3＝1%，可标定），不需要开启均衡，即：

（6）静置时间T≥T4（T4＝60 min，可标定），重新通过OCV计算每个单体的SOC（i），计算出需要比较的阀值；根据当前SOCi的大小，确定开启均衡的阀值，对应关系为SOC[100%～0%]，对应[∇SOCmin－∇SOCmax]（[2%～5%]，可标定），对应关系如下：

如果SOCi-SOC阀值≥∇SOCi＋buff4(buff4＝0，可标定），需要开启均衡，并更新均衡时间，均衡时间如下：

如果SOCi-SOC阀值＜∇SOCi＋buff4(buff4＝0，可标定），不需要开启均衡，即：

2.3 均衡开启条件

均衡开启条件如下。

（1）均衡时间大于Time_open（0，可标定）。

（2）单体最低电压大于或等于Vol_Close_Balance（3.5 V，可标定）。

（3）无相应的故障。

该条件为且的关系，必须3个条件同时满足时，才开启均衡。

2.4 均衡关闭条件

均衡关闭条件如下。

（1）均衡时间小于或等于Time_open（0，可标定）；当关闭均衡后，再次开启均衡时，均衡时间大于或等于Time_open_again（1 800 s，可标定）。

（2）单体最低电压小于Vol_Close_Balance（3.5 V，可标定）；若均衡因为单体过低关闭，再次开启的条件为单体最低电压大于Vol_Open_Balance（3.6 V，可标定）。

（3）SOCmax－SOCmin≥SOC_differ_Close（20%，可标定量），不开启均衡；若SOCmax－SOCmin＜SOC_differ_Open（15%，可标定量），开启均衡。

（4）均衡区温度温度大于或等于Tem_balanceAr⁃ea_Close（105℃，可标定）；当温度小于Tem_balanceAr⁃ea_Open后（95℃，可标定），再次开启。

（5）电池包最高温度大于或等于T_close_balance（55℃，可标定量）；当电池包最高温度小于T_open_bal⁃ance（52℃，可标定量）。

（6）有相应的故障。

3 结果与分析

选定一个量产的电动汽车项目，电池管理系统的均衡电阻为40Ω，均衡占空比为60%，平均均衡电流为3.65 V/40Ω×65%＝59.3 mA。为了进行此均衡实验，需要对PACK电池组（153 A·h）进行高温存储，通过电池特性，在高温3个月后的电池自放电造成的差异为9 mV，根据OCV表格计算出SOC差为0.714%，容量差为0.714%×153＝1.09 A·h。均衡实验如图2所示。