汽车电池均衡管理技术分析与探究

卢欣欣　陈继永　崔美丽

摘 要：通常纯电动汽车的动力电池是由若干单体电池组合而成，每一个单体电池荷电状态会存在一定程度的差异，而此差异会直接决定动力电池的使用性能，因此需要对动力电池进行均衡管理。其中锂离子动力电池的主要研究集中在电池单体技术、热管理技术以及能量管理技术等方面，因此BMS（电池管理系统）对动力电池均衡系统尤为重要。本文通过对电池均衡管理系统进行基本的介绍，并建立电池等效模型，为后续电池均衡模型的仿真提供理论参考，进而为电池均衡管理提供重要的研究价值。

关键词：电池荷电状态 均衡管理 新能源汽车

1 引言

纯电动车具有结构简单、无污染以及乘坐舒适等优点，但是对于纯电动汽车而言影响最大的缺点之一是它的续航里程短。拿纯电动汽车与人体相比，“心脏”就是纯电动汽车中的动力电池，它的作用就是给整车提供动力，因此研究动力电池有非常重要的意义。动力电池涉及到很多行业，这已经不单单是汽车企业所要考虑的，而是各行各业协同发展的结果。目前比较常用的几种动力电池有：铅酸蓄电池、燃料电池、镍氢电池以及锂离子电池等。铅酸蓄电池的优点是价格低以及运行稳定，但是因其体积大、质量重以及污染环境等缺点，已经逐渐被淘汰。燃料电池虽然具有无污染的优点，但是目前还有很多技术问题等待解决，还没有办法普及。镍氢电池具有高安全性，能量密度高的特点，但是在使用过程中会出现不稳定的现象，比如高温下充电缓慢。锂离子电池因其比能量高、寿命长以及体积小的优点，被许多电动汽车采用。电动汽车的动力电池，是有许许多多个单一的独立电池所组合在一起的，所以每个单一的电池总会有着一些差异。而这些差异会影响动力电池的整体性能，所以对动力电池进行技术上的管理是有必要的。其中锂离子动力电池的主要研究集中在电池单体技术、热管理技术以及能量管理技术等方面，这显得动力电池的控制单元必不可少，BMS就是为此而诞生的。纯电动汽车有三大核心，动力电池是其中之一，而动力电池需要一个专门的管理系统BMS，BMS性能的好坏将对动力电池的充放电、热管理、能量均衡以及寿命产生关键影响。基于此，需要对电动汽车锂离子电池管理的策略进行一些必要的研究。

2 电池管理系统关键技术

电池管理系统是在保证电池安全性的基础之上充分利用电池能量的一种综合控制系统，因为电池本身就比较复杂，所以设计出的电池管理系统的功能也会较为复杂，它所具有的功能主要有电池信息监控、电池状态分析、电池安全保护、能量控制等，然而每个功能模块如果细分，将会细分为很多的功能，尽管电池管理系统未來的趋势将会朝着越来越多的功能发展，但是电池管理系统的关键技术还是集中在信息的采集、SOC和SOH等状态的估算、动力电池的均衡管理以及运行信息的监控等方面。以下将对BMS的关键技术进行简单的介绍。

2.1 信息的采集

电池管理系统最基本的功能就是采集电池的电压、电流、温度等基本信息，几乎电池管理系统的所有功能都是建立在信息采集的基础之上。所以电池管理系统设计的关键是如何准确的采集动力电池的信息。采集信息不单单为了监控动力电池的此时此刻运行状态，还可以将这些信息上传至电池管理系统控制中心，由电池管理系统的控制中心来选择合适的策略并对动力电池进行科学的管理，从而使动力电池运行安全高效、循环使用寿命更长。

2.2 SOC和SOH的估算

动力电池在使用过程中通常需要使用一些参数来表征其性能的好坏，SOC、SOH是比较常用的两种数据。SOC表示的是动力电池的荷电状态，是用来表征动力电池的剩余电量的情况;SOH表示的是动力电池的健康状态，用来表征动力电池的使用寿命情况。SOC和SOH的估算主要受动力电池的电压、电流、内阻以及温度等的影响。准确的SOC和SOH的估算将会较为真实的向用户反应出动力电池目前的状态，方便用户对动力电池进行及时的维护，延长了动力电池的使用寿命，同时也会让用户对动力电池的实际情况有了解，从而调整用户的使用情况。动力电池内部是一个复杂的化学反应过程，如何准确确立动力电池模型和信息采集并准确估算动力电池的SOC和SOH一直是研究人员重点关注的难题。

2.3 电池的热管理

动力电池工作的时候内部会发生比较复杂的化学反应，自身的化学反应有可能使电池温度发生变化，加上外在的环境影响，动力电池的温度可能变化波动很大。过高的温度会加速动力电池的内部反应，使电池的寿命下降，同时还可能有爆炸的风险。如果温度过低，动力电池的性能又可能降低。只有当动力电池的温度在一个合理范围内，动力电池的性能才会发挥的最佳，运行更安全，寿命更长，所以必须设计一个动力电池热管理模块，时刻的监控管理动力电池的温度信息。

2.4 电池均衡管理

当前动力电池常见均衡方法有主动均衡和被动均衡两种。主动均衡原理是电池管理系统根据自身判断，将能量高的单体电池能量传递给能量低的单体电池，进而实现电池能量的利用最大化；被动均衡则是通过并联电阻消耗掉多余的能量。在应用场合以及要求不高的情况下，通常采用被动均衡的方式，因为被动均衡的原理简单，对硬件的要求也不是太高。尽管主动均衡的效果比被动均衡要好，同时也能最大化的将单体电池的能量利用起来，但是主动均衡一方面要求相对复杂的硬件电路，另一方面需要相对复杂的控制算法。所以至于采取何种的均衡控制，需要根据应用场合以及需求来定，如图1所示。

3 锂离子电池参数辨识及模型验证

估算动力电池的SOC、SOH一直是电池管理系统的研究热点，想要合理估算动力电池的状态信息，必须先从动力电池本身研究。动力电池内部，化学反应较为复杂，要想较为准确的采集动力电池的电压、电流等信息从而估算动力电池的状态信息，需要建立精确的电池模型，并对所建立的电池模型参数进行必要的辨识。锂离子电池按照材料的不同又可以分为磷酸铁锂电子电池、镍钴锰混合锂离子电池、以及钛酸锂锂离子电池等。

锰酸锂锂离子：这种电池的负极是使用石墨制作的，这种电池的比能量相对来说比较低，并且运行稳定性以及安全性也比较低。磷酸铁锂离子电池：它的负极也是由石墨制作而成，这种电池拥有比较高的容量，而且在使用期间比较稳定、安全，目前已经有非常广的应用场景。镍钴锰混合锂离子电池：它的正极通常由镍钴锰制作而成，这种电池又称三元锂离子电池，这种电池虽然比能量比较高，但是运行的安全稳定性要比磷酸铁锂离子电池差一些，目前主要运用在一些小型的电动汽车上。钛酸锂锂离子电池：这种电池的负极一般是由钛酸锂制作而成，它的优点非常多，优点可以说是镍钴锰混合锂离子电池和磷酸锂离子电池的综合，可是它的缺点也非常的明显，它的缺点主要是高温情况下不稳定以及使用成本高。以上是比较常见的锂离子动力电池的介绍，在日常使用过程中，会综合考虑很多因素，如应用场景、运行稳定性、安全性以及成本等，从而选择合适的动力电池。

3.1 锂离子电池的常见模型

动力电池的应用场景比较广泛，加上不同的外部环境，所以电池也需要使用不同模型。电化学模型以及等效电路模型是研究较多的两类。动力电池内部的化学反应相对来说比较复杂，所以要想准确描述动力电池的化学模型比较困难，加上电化学模型的算法难度大，目前动力电池模型的研究主要集中在等效电路模型。常见的等效电路模型如下所示：

1.Rint等效模型

如图2所示，Rint等效模型的电路结构较为简单，其中U代表电源电压，I代表电流，箭头所示方向为正，R0代表电池内部的电阻，UT为电池的开路电压。但是动力电池内部的一系列反应，是一个较为复杂的化学反应过程，Rint等效电路模型忽略了内部的因素以及外部的环境影响，所以这种等效电路模型只能用来近似的满足要求不高的应用场合。

2.Thevenin等效模型

如图3所示，把Thevenin等效模型与Rint等效模型两者的电路图相比较，Thevenin等效模型比Rint等效模型多了一个电容器和一个电阻。其实可以认为这是在Rint等效模型的基础上的改进，因为Rint等效模型过于理想化，忽略了电池内部的化学反应。Thevenin等效电路模型可以较为准确的估算动力电池的参数，但是复杂的应用场合加上环境的影响，使用该模型将会产生一定的误差。

通过对以上动力电池Rint等效模型与Thevenin等效模型分析，各自都存在明显的缺点，所以本文选取改进后的二阶RC等效电路模型作为研究对象，如图4所示，二阶RC等效模型中的电容器的阶数是整数1，所以图4的模型也叫整数阶二阶RC等效电路模型。然而有相关研究表明，动力电池的电容器扩散系数与分数阶有着一定的关系，并且引入分数阶可以提高电池模型的精度，所以在整数阶二阶RC等效电路模型的基础上加入分数阶理论，并建立动力电池的等效模型进行研究。

3.锂离子电池参数辨识

在选定了所用电池模型后，再进行电池参数辨识。由于当前创建的是分数阶二阶RC等效电路模型，为了突显所建模型的高精度，需要对整数阶二阶RC等效电路模型和分数阶二阶RC等效电路模型分别进行参数辨识，为后续模型精度的验证作提供技术参考。电池参数辨识的方法很多，常见的有遗传算法、最小二乘法等，整数阶二阶RC等效模型的参数辨识使用的是最小二乘法，因为整数阶二阶RC等效模型较为简单，采用最小二乘法计算便可获得较高的精度，分数阶模型则采用的是自适应遗传算法辨识，因为分数阶电池模型的复杂度比整数阶大，如果继续采用最小二乘法将会产生较大的误差。

4 小结

文章首先对电池管理系统的信息采集、均衡管理、热管理等关键技术进行介绍，研究了SOC和SOH的定义、影响因素以及估算方法。其次介绍了锂离子电池的常见电池模型，并在普通等效模型的基础上提出整数阶二阶RC等效模型。为后续MATLAB软件仿真二阶RC等效电路模型的估算精度提供模型参考。

国家对新能源汽车的发展支持力度加大，更多的企业开始着手发展电动汽车产业，用户对电动汽车的要求也在提高。电动汽车的动力来自于动力电池，动力电池的发展受限于电池管理系统的发展，只有准确的估算动力电池的状态信息进行并实时监控其状态，动力电池的性能以及寿命才会发挥到最佳。

电池管理一直是电动汽车的研究核心，随着技术的更新迭代，人们对电动汽车提出了更高的要求，电池管理系统仍有很大的研究空间。由于实验条件限制，部分场合下难以对电动汽车动力电池进行在线实际估算以及实时监控。尽管可以通过一些数据仿真验证所提出的电池模型以及SOC和SOH估算策略具有可行性，但是还是存在数据样本较少，希望在未来的研究中，可以使用更多的数据样本进行仿真分析。

基金：1.江苏省高职院校青年教师企业实践培训项目（编号：2022QYSJ016）；2.南通市基礎科学研究青年创新项目（JC12022090）;3.南通市基础科学研究面上项目（JC22022034/JCZ2022061）;4.江苏工程职业技术学院科研项目（GYKY/2021/7）；5.江苏工程职业技术学院科研项目（GYKY/2022/14）；6.江苏工院高水平产教融合平台项目。

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