动力电池包离线均衡维护设备研究

苏庆列 黄登高 谢俊淋 王 旭

（1.福建船政交通职业学院汽车学院 福建福州 350007；2.中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

随着能源危机、环境污染等问题的日益严重，世界各国对碳中和的诉求越来越高，新能源领域的发展步提速。锂离子电池作为新能源储能元件，具有能量密度高、充放电特性好、使用寿命长、安全环保等优点，被广泛应用于电动汽车和轨道交通领域。在电动汽车高功率、高能量密度要求的条件下，单个锂离子电池并不能满足要求，需要对多个锂离子电池进行串并联组合使用，形成动力电池包（Battery pack）。伴随着动力电池包使用寿命的不断衰减，单体锂离子电池之间的不一致性常常造成电池包容量衰减过快、功率倍率下降等问题[1]。

动力电池包的不一致性就是指同一规格型号的电池单体组成动力电池包后，其电压、容量、内阻、寿命、自放电率等参数的差别。电动汽车动力电池包在长时间使用之后，随着寿命的衰减，单体电池荷电量体现很大不一致性，直接体现为电池单体电压的不一致性。电池单体过压和欠压容易导致电池热失控，危及车辆和人员安全[2]。张智勇等人[3]的研究表明，对动力电池包进行均衡维护，可以改善电池包各串联单体之间的不一致性，提高电池包的容量、充放电功率和使用寿命。

按照电池均衡的实时性可以分为在线均衡和离线均衡。在线均衡是利用电池管理系统（Battery manage system，BMS）在电池使用中实时对电池单体进行均衡，不影响电池包的正常使用。在线均衡电流一般较小，系统设计水平要求较高。离线均衡则是在电池售后维护阶段对电池单体欠压的位置进行补电或者耗电，提高电池均衡的速度，弥补在线均衡缺点。按照均衡过程中能量是否有损耗可分为被动均衡和主动均衡[4]。

被动消耗均衡是最早的电池单体均衡方式，是通过在各单体电池两端并联耗电电阻进行放电，进而实现电池包内各电池单体之间的均衡[4]。主动转移均衡是将电能从电量高的电池单体转移到电量低的单体，常采用开关电感法、DC/DC变换法等[5]。主动补电均衡则是利用一个多输出的变换器对电池包中容量低的电池单体充电，输入为外部电源[6]。主动补电均衡常用于电动汽车动力电池包售后维护保养阶段，解决电池管理系统长时间无法在线实时均衡的难点。

充分结合两类设备的特点，研究一种单AC/DC模块与多路继电器开关复用的电池包离线均衡维护设备。电池包离线均衡维护设备利用精准AC/DC程控隔离电源提供外部补电电源，采用继电器开关组和电池单体连接，实现电池包单体电压扫描和均衡控制。该方案相比于现有方案，显著降低了DC/DC模块数量，均衡电流大小可控，模块化程度高，扩展方便，便于动力电池包售后市场使用。

一、动力电池包的离线均衡原理

随着电动汽车动力电池包的寿命衰减，电池包内电池单体之间的不一致性加剧。车辆运营企业一般会定期将电池包进行拆解，采用电池均衡设备对电压偏低的电池单体进行补电，降低电池单体电压的离散程度。针对动力电池包需要定期维护的场景，本研究在动力电池包上提前预留一个电池包的均衡维护外部端口，降低电池包拆解的次数，方便电池均衡维护。动力电池包外部维护端口的电器架构原理，如图1所示。

图1 动力电池包外部维护原理

图1中，Jet为预留在电池标准箱体的电池单体维护端子，用于连接每个电池单体正负极与外部的接口。Jet端子不使用时，采用防水密封端子封堵，使用时打开，连接外部维修线束。K1～K6为电池单体均衡位置控制的继电器，受到均衡电控单元（Electric control unit，ECU）的控制，其数量依据电池包内电池单体串数进行扩展。AC/DC为程控的外部电源，实现电池均衡电压和电流的精准输出。

二、动力电池包离线均衡方案

（一）电池均衡系统参数设计。均衡电流的大小与均衡目标、均衡方式、均衡周期和电池工况等有关[5]。电池单体的均衡时间与其需要补充的电荷容量和充电均衡电流密切相关。电池单体均衡所需要的时间（公式1）：

式中t是电池单体均衡所需时间（h）；ΔQ是电池单体需要均衡的容量（Ah）；I是均衡电流的大小（A）。

电池单体的充电电流和充电电压受到电池性能的影响和安全性的约束。均衡过程中电池电压应该小于电池许可电压，电池电流小于电池许可充放电电流（公式2）。式中，T是电池温度（℃）；SOC是电池剩余荷电量百分比（SOC，State of charge，%）。

电池包一般是多个电池单体串联组成，电池包离线均衡设备需要考虑高压隔离，避免设备损坏。外部电源、继电器开关、进行端子及线束需要满足隔离电压的限制。隔离电压要求（公式3）：

式中，Vcut是隔离期间要求的耐受电压；N是电池包内电池单体的串联数量；Vcellmax是电池单体的最高电压。

电池开路电压和电池剩余荷电量的关系可以采用多项式进行拟合，函数表达式（公式4）：

式中，Qsoc是电池单体的剩余荷电量，Uocv是充分静置后的开路电压。

外部电源与电池单体之间存在较长的线束，且需要串联继电器、接插端子等部件，外部电源输出端与电池极柱之间存在沿程电阻Rtotal，其计算表达式（公式5）：

式中，Rline是均衡线路的导线电阻；Rjet是均衡线路中接插件的接触电阻；Rother是均衡线路中其他寄存电阻。受制于电池单体在电池内部的布置，外部电源与被均衡电池单体之间的线长存在差异，外部电源两端与电池极柱的电压压降存在不一致性。为了便于获得线路的内阻，本研究用恒流测试激励，采集两组电压，计算获得电池均衡通道的电阻值（公式6、7）。式中，URt1、Ubat1、I1是第一组外部电源电压、电池极柱实际电压和激励电流；URt2、Ubat2、I2是第二组外部电源电压、电池极柱实际电压和激励电流。

沿程电阻Rtotal的计算公式如下公式8所示。

电池单体并联之后，其内部直流内阻远小于线路延迟内阻，且小电流时电池极化内阻影响不大。令Ubat1≈Ubat2，可进一步获得如下公式9。

为了便于监控电池单体电压和均衡设备输出电压之间电压差，可设定电池的均衡电流和均衡电压差ΔVset，电池均衡电流（公式10）。式中，Ibat为均衡设备给电池单体进行的均衡电流。

受制于线束长度、沿程电阻大小和电池充电安全性考虑，本研究将电池均衡电流设置为固定值2A。

参考公式4，锂电池单体可以通过开路电压体现出来，电池包内单体容量差的计算如公式11、12、13和14所示。式中，是电池包内电池单体的平均剩余荷电量；Qi是电池包第i个电池单体的剩余荷电量；QΔi是电池包内第i个电池单体剩余荷电量与平均剩余荷电量的偏差；是电池包内电池单体的平均电压；Ui是电池包第i个电池单体的电压；UΔi是电池包内第i个电池单体电压与平均电压的偏差。

电池包内电池单体的均衡时间（公式15），式中，tibal是电池包第i个电池单体均衡完的时间。

当电池包中存在多个电池单体需要补电，电池包总的均衡时间公式16。式中，tpackbal是整个电池包内所有单体均衡完成的时间。

（二）电池均衡系统硬件结构。电池离线均衡维护设备是通过外部电源与整个电池包进行连接，采用隔离AC/DC程控隔离电源和继电器开关组与电池包内每个单体之间建立独立链接。电池离线均衡维护设备主控单元如图2所示。

图2 电池包离线均衡设备的控制单元

电池包离线均衡设备的控制单元（Electric control unit，ECU）负责控制电芯均衡电流电压和继电器通断，运行电池包外部均衡的策略。控制单元主要硬件包括：主控板、从控板1、从控板2和程控电源。主控板具备CAN通讯功能，承载均衡控制策略运行和单体电压采集，协调从控板1、从控板2和程控电源工作状态。从控板个数随着需要维护的电池包串数增加而进行调整。主控板、从控板均采用外部12V电源供电。从控板负责控制均衡通道的通断，接受主控板的继电器通断指令，具备CAN通讯功能。程控电源由MCU、CAN通讯和隔离AC/DC模块组成，可以支持给定的恒流和恒压控制。

依据原理图成组的电池包离线均衡设备实物，如图3所示。实物硬件采用模块化设计思路，将电池包离线均衡设备的控制单元、内部均衡电路、外部接口进行独立设计和布置。均衡设备最大输出电流5A，输出电压范围为1.5-12V，支持48路串联电池单体均衡，电池单体电压采集进度为1mV。电池维护设备的主要参数如下表1所示。

图3 电池均衡设备实物

表1 电池维护设备主要参数

三、动力电池包离线均衡控制策略

电池包离线均衡设备的控制流程如下4所示。本均衡设备工作时，首先将整车电池电量采用快充桩调整到满电状态。在车辆满充之后，电池电压受到快充大电流的影响，电池电压存在逐步回落过程，待电池单体电压回落稳定之后，电池的开路电压和电池剩余荷电量存在相对稳定的关系。此时，连接和启动电池包离线均衡设备，对电池包内电池单体进行扫描电压，记录电池单体电压和计算每个通道的沿程电阻。

实际工程应用过程中，如果小电流持续给电池过充电，有电池热失控的风险。在工程实践中，如果电池单体电压偏差大于200毫伏，电动汽车常会出现警告指示灯，本研究将该数值作为一个阈值，判断是否对该电池包进行均衡维护，均衡额的目标是使得电池压差小于200毫伏。控制单元计算获得需要补电的电池单体位置之后，采用继电器开关的切换，分别对电池单体进行补电。目标均衡电压为电池组的平均电压，单体均衡的时长限制值为tibal。控制单元控制的输出电流，并确认电池单体的电压和时长是否达到边界条件，如果结束则进入下一节单体均衡维护。在所有需要均衡的电池处理完或者人工故障处理完成之后，电池包离线均衡设备工作结束。

图4 电池维护设备的控制流程

四、动力电池离线均衡测试

（一）电池包离线均衡参数校核。依据实践数据表明，电池包在特殊工况下，容易存在1-2个电池单体容量偏低，本研究的实验电池包为某纯电动公交车辆标准电池箱，如表2所示。假设一个电池单体容量偏差设定为20%时，依据电池单体串联的“木桶效应”，电池包整体剩余容量为80%，使用寿命将显著缩短。依据电池包离线均衡设备参数和试验电池包参数，测算电池包离线均衡的时长如表3所示。

表2 公交车辆电池参数

表3 电池包离线均衡测算结果

（二）电池包离线均衡设备实验测试。依据电池包离线均衡的运行策略，将电池包离线均衡设备的外部接口与公交车辆电池包进行连接，开展电池包离线均衡测试。

经过20个小时的电池均衡设备运行，电池包均衡前后的电池单体电压对比如图5所示，共计对18个电池单体进行了补电。电池包均衡前后的电池单体电压的变化如表4所示。电池包均衡之后，电池单体之间最大电压差从235毫伏降低到196毫伏，电池包内单体电压最高值不变，电池单体最低值提升。

图5 电池包均衡前后的电压对比

表4 均衡前后电压差数值对比

五、结论

本文提出了一种电池包离线均衡维护设备，研究了电池包均衡设备的基本硬件、软件和控制策略，探索了一种电池包维护的新方式。电池包离线均衡维护设备的结构分为设备控制单元、程控电源、均衡设备内部继电器单元、箱体和线束结构。该均衡维护设备可以采用一个独立AC/DC隔离电源模块实现对多路串联电池单体的电量补充，相比于现有多电源方案可以有效降低系统复杂度和制造成本。

电池包离线均衡设备的参数设计充分考虑了电池包均衡线路的线路压降，开展了研发的电池包离线均衡设备进行实验测试。测试结果表明，该设备可以满足电池包级别的电池单体均衡维护。