动力电池主动均衡离线设备的设计

刘琼琼，费孝涛,2，施海凤，史品佳，徐京宁

（1.江苏电子信息职业学院 智能交通学院，江苏 淮安 223003；2.马来西亚博特拉大学 工程学院，雪兰莪州 沙登 43400；3.淮安市翔龙特种车辆有限公司，江苏 淮安 223005）

新能源汽车的动力电池总成是由若干个电池模组构成，每一个模组是由若干个单体电池通过串、并联的方式组成。当同一规格型号的单体电池组成动力电池总成后，其电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别[1]。在新能源汽车使用过程中，受驾驶习惯和温度等条件影响，导致单体电池的不一致性逐渐放大，从而加速电池性能衰减，造成动力电池充电充不满、放电放不完，严重影响车辆的续航里程和电池的使用寿命[2]，所以动力电池的均衡十分重要。

1 动力电池的均衡控制方法

目前，新能源汽车动力电池均衡主要有两种方法：一种是通过集成在车辆上的电池管理系统（Battery Management System, BMS）在线监测均衡，目前这种均衡方法用于充电均衡，在动力电池充电的同时进行放电均衡，容易导致电池总成温度升高，故均衡电流较小，一般控制在2 A以下。为了提高车辆可靠性，系统在开发设计时，一般设置在单体电池电压压差超过 100 mV时才开始均衡，精度较低。所以当单体电池的不一致性超过BMS的均衡范围时，就会出现车辆续航缩短的情况[3-5]。另外一种方法就是使用故障诊断仪读取其中不均衡的模组信息，通过外接设备实现离线均衡，要求将动力电池包拆下，通过外接设备将此模组中的单体电池进行均衡[6]。

动力电池的均衡控制按照能量是否有损失可以分为被动均衡和主动均衡[7]。被动均衡也称为能量耗散型控制，是通过串联电阻的方式将电池多余的能量耗散掉来实现均衡，如图 1所示。被动均衡具有结构功能易实现、成本低的优点，缺点是均衡过程中放电会导致电池包升温。主动均衡也称为能量转移型控制，经常采用电感均衡、电容均衡和变压器均衡[8-11]，它是将电量高的单体电池的一部分能量转移到电容或电感中，再将储存的能量转移到电量低的单体电池中，以实现均衡，如图 2所示。主动均衡具有低能耗的特点，缺点是成本高、结构复杂在线均衡比较难以实现。

图1 被动均衡

图2 主动均衡

目前车辆 BMS一般只在充电终了时进行均衡，但是充电时间的长短和车主的使用有很大的关系，当剩余电量较大时进行充电，则BMS进行均衡的时间就较短，导致均衡不完全，单体电池的不一致性在车辆使用过程中，误差积累越来越大，此时会超出BMS的均衡范围，车辆会出现续航明显下降，充电时间变短。这种情况下，就需要用离线外接设备进行均衡。

本文设计了一种离线的动力电池的主动均衡设备，采用双向DC-DC均衡控制模块，实现单体电池之间的能量转移，以达到动力电池的均衡修复。相对比现有市场的均衡维护设备，均衡电流可实现自动控制，最高可达20 A，提高均衡效率，智能化程度也大大增加，便于新能源汽车动力电池维修后市场使用。

2 动力电池总成离线均衡设备设计方案

2.1 离线均衡设备结构框架

为了解决均衡设备效率低、能量耗散的问题，提出一种双向隔离DC-DC的主动均衡维护设备的方案，主要应用于离线单体电池的均衡。均衡设备属于外接设备，不需要用电源唤醒工作。离线的均衡设备采用主从式，主要是由显示屏、主控制模块和多个均衡模块组成，结构框架如图 3所示。

图3 结构框架图

双向DC-DC均衡控制模块的采集线检测各单体电压，再通过控制器局域网络（Controller Area Network, CAN）通讯传递给主控模块。进行设备操作时，首先在显示屏上选择电池类型、对应的标称电压（三元锂电池3.6 V、磷酸铁锂电池3.3 V[12]）等参数，当主控模块采集到各单体电压后，和相应的锂电池类型的标准电压对比，判断不均衡的单体电池，根据压差，自动计算出均衡电流并控制相应的均衡控制模块进行均衡，同时通过串口通讯显示在显示屏上。

2.2 均衡控制模块的硬件结构

均衡控制模块是整个设备的核心部分，主要是对动力电池中欠压的单体电池充电均衡，这要求均衡控制模块将最大的单体电压逆变升压，给最小的单体电池充电。本文选择双向DC-DC变换器作为执行均衡功能的部件，每个均衡模块采用MC9S12XET256作为控制电路，接收主控模块的指令，通过对各单体电压进行采集后，输出脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）占空比控制信号控制双向DC-DC变压器的输出，实现对各单体电池的均衡控制。结构简图如图4所示。

图4 均衡控制模块

2.3 双向均衡DC-DC变压器的设计

根据均衡设备的结构框架，为了防止各单体电池均衡时被短路，所以要求均衡控制模块应满足输入电路、输出电路之间的电气隔离[1]。本文将选用双向正激DC-DC变压器，工作相对稳定、可靠性较高，为了实现变压器的磁芯复位，避免因磁芯发生磁饱和，导致磁导率下降引起的变压器短路，加装了辅助电路，其拓扑电路结构如图 5所示。

图5 双向正激DC-DC变压器的拓扑电路

3 均衡控制系统参数设计

3.1 均衡控制变量的选取

均衡控制变量是判断动力电池中单体电压是否发生不一致的主要特征参数，在理论研究中主要采用的有开路电压、工作电压、电池剩余电量（State of Charge, SOC）、剩余容量等[13]。由于本文研究的是离线均衡设备，故采用开路电压作为均衡变量，可直接通过采集线或CAN通讯获得电压数据。

在均衡过程开始时，首先通过双向DC-DC均衡控制模块通过采集线获取各单体开路电压，应满足：

式中，icellmax是动力电池总成的单体电池的数量最大值；Ucellmin是动力电池类型最小放电截止电压，一般磷酸铁锂电池为2.85 V，三元锂电池为3.2 V；Ucellmax是动力电池类型最大充电截止电压，一般磷酸铁锂电池为3.75 V，三元锂电池为4.15 V。

再计算出平均电压

然后计算单体电压之间的压差，压差可以准确地反应动力电池总成不一致情况。

根据单体电池之间的电压压差确定均衡控制区间，单体中Umax所在 DC-DC控制模块逆向升压向单体Umin充电，直至所有的单体压差满足阈值要求。

3.2 均衡电流选取

动力电池在用均衡设备均衡时，为了保护单体电池不会产生过充，会根据单体的欠压情况，自动选择均衡电流，一般会满足先小电流1 A充电，以提高单体电池端电压，然后选择大电流20 A充电，以提高均衡效率，最后进行恒压充电，避免过充造成单体电池损坏。

（1）对于磷酸铁锂电池，根据单体电压欠压情况，进行均衡电流的选取如下：

当2.65V＜Ui＜3.1V时，ibalance=1A；

当3.1V＜Ui＜3.6V时，ibalance=20 A；

当3.6V＜Ui＜3.65V时，恒压充电。

（2）对于三元锂电池，根据单体电压欠压情况，进行均衡电流的选取如下：

当3.2V＜Ui＜3.5V时，ibalance=1A；

当3.5V＜Ui＜4.1V时，ibalance=20A；

当4.1V＜Ui＜4.15V时，恒压充电。

3.3 均衡时间的计算

动力电池的总均衡时间和充电均衡电流、单体欠压程度密切相关，每一块需要均衡的单体电池所需要的时间为

当动力电池总成出现多个单体电池不一致时，总的均衡时间计算如式（5）：

式中，tcellbal是存在不一致性的单体电池的均衡时间，CΔi是单体电池需要均衡的容量（Ah），Δt是恒压阶段的均衡时间，根据工程经验Δt=0.5 h。

4 能量转移型动力电池离线均衡控制策略

当新能源汽车出现续航里程下降、充电时间缩短的现象时，动力电池的管理系统BMS已经无法进行均衡，需要将动力电池总成离车均衡，即离线均衡。首先要严格按照车型对应的厂家维修手册操作流程，将动力总成从整车上拆接下来，然后连接均衡设备，均衡设备不需要外接电源启动，可以通过连接在单体电池上的采样线进行唤醒工作。

在实际应用中，国内新能源汽车动力电池管理系统和维修后市场大部分均衡设备采用的是能量耗散型方式均衡，由于结构设计要求，只能小电流进行均衡，大电流均衡会造成热失控，严重时引起电池的鼓包、自燃等现象。本文研究的是能量转移型的均衡控制，压差阈值可以控制在50 mV，同时均衡电流可以达到20 A，大大提高均衡效率，动力电池离线进行单体电池均衡的控制流程如图6所示。

图6 均衡控制流程

双向DC-DC均衡模块通过连接到单体电池上的采集线，获取单体电池电压数据，通过CAN通讯传输至主控板，主控板判断所采集到的所有单体电池中，最大电压和最小电压之间的压差是否满足设定的 50 mV，不满足说明压差过大，单体电池之间出现不一致性，此时需要进行均衡修复。最大单体电池电压对应的双向DC-DC均衡模块逆向升压，将电压通过最小单体电池电压的均衡模块，向该电池充电。均衡后主控板，重新检测所有单体电池电压，判断再次出现压差超过50 mV的两个单体电池，再次通过双向DC-DC均衡模块逆向升压，向电压单体电池充电，反复检测、均衡，直至左右单体电池满足压差要求，实现动力电池总成的均衡。若长时间无法均衡两单体压差，则判断单体电池发生故障，进行单体或模组的更换。

5 能量转移型动力电池离线均衡设备测试

为了验证均衡设备的使用效果，本文对一款某车型纯电动汽车动力电池出现的不一致性故障进行修复，该车型动力电池采用的是磷酸铁锂电池，具体参数如表 1所示。车辆充满电只能行驶310 km，电池SOC低于10%，动力电池的故障灯点亮。通过故障诊断仪读取故障码为P31A3电池单体电压过低故障，读取数据流，显示如表 2所示。

表1 某车型动力电池参数

表2 故障码P31A3对应读取的数据流

分析数据流可以看出，最大单体电池电压为3.323 V与最小单体电池电压3.106 V之间的压差为217 mV，车辆自带的电池管理系统设定当压差达到100 mV时进行充电均衡，车辆在长时间充电后压差仍很大，说明单体压差过大电池管理系统本身已经无法均衡，所以必须采用均衡设备进行均衡修复。

在完成高压下电和动力电池包拆解后，连接本文研究的均衡设备进行离线均衡修复，均衡设备一次可以完成24个单体电压的均衡，如图7所示。经过 5个小时的设备均衡，再次读取对应模组的数据流，没有出现单体欠压的情况，单体电池之间的最大压差从217 mV降低到41 mV，动力电池中出现不一致性的模组均衡前后单体电池的电压变化，如图 8所示，均衡前后压差的数据对比如表3所示。

图7 离线均衡测试

图8 某车型4号模组单体电压均衡对比

表3 单体电池均衡前后的压差数据对比 单位：mV

6 结论

本文提出了一种动力电池主动均衡设备的结构框架，研究了均衡设备的软硬件及其控制方法，设备采用双向DC-DC均衡控制模块，高电压的单体电池通过此均衡模块逆向升压向低电压单体电池充电，实现不均衡单体电池间的能量转移，这种均衡方式产生热量较少，均衡电流能提高至20 A，同时可避免能量耗散方法均衡造成的动力电池过热现象。在电池总成均衡设备的设计过程中，均衡变量及均衡电流参数阈值均来自工程实际，实用性较好，可广泛应用于各类锂电池。经过大量电池的均衡测试，表明该设备可以满足车规级动力电池的均衡修复。

虽然本解决方案在动力电池均衡方面具有能量转移型控制的优点，但是受制于设备体积大、接线复杂，暂时无法设计在动力电池总成内部。但随着芯片技术的发展，未来可通过动力电池总成内部采样线，直接来实现单体电池间的均衡，将极大提高动力电池的一致性，延长其使用寿命。