沈聃，夏正鵬，倪紅軍，袁銀男，廖萍

(南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019)

電動汽車串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)研究進展

沈聃，夏正鵬，倪紅軍，袁銀男，廖萍

(南通大學機械工程學院，江蘇南通 226019)

電動汽車的性能和成本很大程度上取決于動力電池組的性能和使用壽命，而電池組的性能和使用壽命又受到電池組均衡系統(tǒng)的影響。綜述了電動汽車串聯(lián)電池組的主要均衡方法，列舉了國內外對于SOC預測和電壓測量的常用手段，分析了國內外車用串聯(lián)電池組電壓均衡電路，并展望了其發(fā)展方向。

電動汽車；動力電池；串聯(lián)；均衡電路

電動汽車技術的發(fā)展對車用動力電池性能提出了更高的要求。目前，單個動力電池在比能量、比功率、充放電效率、循環(huán)次數、使用壽命等方面難以滿足使用要求，因此電動汽車動力大都由多塊電池構成的電池組提供。電池成組的方式一般有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種。在同時滿足輸出功率的前提下，串聯(lián)方式主要用于滿足負載高壓特性，多節(jié)單電池串成一組后電流相等，可通過電壓反映各節(jié)電池運行情況。并聯(lián)方式是為了提高輸出電流，由于并聯(lián)電池端電壓始終相等，一方面存在自然均衡現象，因此部分能量會消耗在互相充電的過程中；另一方面，當電池組某單個電池電流發(fā)生變化時，其他電池電流也隨著變化，從而使其電流均衡難以處理。混聯(lián)電池包括并串聯(lián)和串并聯(lián)兩種連接方式?？赏瑫r滿足電壓、電流要求，但是由于電池組工作時，其互充電電流和電池組整體放電電流方向相反，對電池組性能造成能量利用率和輸出總功率下降等不良影響。目前，車用動力電池組大都采用串聯(lián)方式[1]。在串聯(lián)組合應用中，由于各單體電池在初始容量、內阻、自放電率等方面不同使得電池間具有不同的充放電特性，并且電池在進行過多次充放電循環(huán)后還會擴大該種不一致現象，進而導致整組電池容量、輸出功率減小，電池利用率下降。若不采取有效措施還會造成單體電池的過充電和過放電，這不僅損壞電池，還可能產生大量熱量，引起電池燃燒甚至爆炸，嚴重影響電動汽車行車安全。因此，針對串聯(lián)動力電池組采取適當均衡方法來補償電池間性能差異是非常必要的。

1 電池組均衡方法

電池組均衡方法主要有容量均衡法、化學均衡法、荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)均衡法和電壓均衡法。早期采用容量均衡法，這種方法以電池實際容量趨于一致為目的，采用浮充電壓對電池組續(xù)充電，但由于該方法導致電池處于過充電狀態(tài)，縮短了電池壽命，目前已很少使用。化學均衡法是通過電池內部化學反應達到均衡效果，Abraham.K.M等人[2]提出在鋰電池電解液中添加一定比例氧化-還原電對的方法，抑制電池正極電位升高，避免電極材料和電解液氧化，提高電池抗過充能力；Chen.J等人[3]經實驗證明，組中電壓上升較快的電池不會被過充，其他電池還可正常充電，達到均衡充電效果。目前該方法處于理論研究層面，距實際應用尚有一段距離。SOC均衡法是通過動態(tài)檢測單體電池SOC，當出現SOC不一致時，自動啟用均衡系統(tǒng)對電池充放電，直到達到相同SOC，實現電池組均衡。目前研究電池SOC估算有多種手段，如林成濤等人通過安培時間計量法[4]對負載電流積分估計SOC；高明裕等人研究的內阻法[5]根據電池內阻特性，通過試驗建立直流內組或交流內阻與SOC的關系；國外V.Pop等人提出的開路電壓法[6]簡單易行，但需要電池長時間靜置，不能滿足實時在線檢測要求；Tsutomu Y等研究的神經網絡法[7]是在建好網絡模型的前提下，依靠大量樣本進行數據訓練可以得到較好的精度；Gregory L Plett則采用卡爾曼濾波法[8]根據采集到的電壓電流，由遞推算法得到SOC最小方差估計；SOUARDIP M等提出基于模糊基礎規(guī)則(FRB)的系統(tǒng)[9]，利用溫度、電流來計算庫侖效率，再用安時法得出SOC值；由C Ehret提出的線性模型法[10]以SOC變化量、電壓、電流和前一時間點的SOC為基礎，建立線性方程。上述SOC估算方法都有預估不精確、模型復雜，且在電動汽車變電流動態(tài)工況下存在缺陷等不足，所以應用起來面臨諸多問題，有待進一步改進。

電壓均衡法是以單體電池電壓為均衡目標，通過均衡電路使得電壓趨于一致。2002年Krein[11]發(fā)現，電池組內單體電池在相同工況下的開路電壓與其充放電狀態(tài)和SOC幾乎是呈線性關系，因此電壓可以看作是電池SOC的表征量，并且隨著對電池測量電路和芯片的不斷改進，單體端電壓測量精度已經達到很高的水平，對電池組SOC的均衡可以轉化為通過精確的電壓均衡來進行。所以現階段電壓均衡法在應用中更易于實現，應用最廣泛。

2 串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)工作原理

串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)工作原理見圖1。單體電池電壓首先由各檢測模塊獲取后經CAN總線傳輸給中央處理器，由中央處理器分析其電壓差異，然后將信息反饋給均衡模塊，再通過其控制充電機模塊，實現充電時對過充電池回收能量，放電時則對過放電池提供能量，最后使單體電池電壓在安全范圍內保持一致，最大限度地提高電池組性能、延長電池壽命[12-13]。

圖1 串聯(lián)電池組電壓均衡系統(tǒng)工作原理圖

3 單體電池端電壓檢測

通過均衡系統(tǒng)中的檢測模塊準確而又可靠地獲取單體電池的端電壓是均衡電路正常工作的前提。很多學者對串聯(lián)電池組電壓測量進行研究，楊朔等人[14]通過電阻分壓，將實際電壓降低到芯片可承受范圍內，讀取到的轉換電壓通過相關計算后乘以衰減倍數得到測量值。該方案測量方便、成本低；歐陽斌林等人[15]使用浮動地技術測量電池端電壓，通過控制器改變地電位，此方法由于地點位經常受現場干擾發(fā)生變化，地電位難以精確控制所以影響了整個測量精度；李樹靖等人[16]采用線性運算放大器組成線性采樣電路，經過開關選通需要采集的通道后再經過電壓跟隨器輸入A/D轉換器轉換，此方法可以直接測量任意一節(jié)電池的電壓，但是需要很多運放和精密匹配電阻，成本較高；鄭敏信等人[17]采用繼電器開關陣采樣，響應速度快，測量的成本相對較低，開關無觸點，能夠起到電壓隔離的作用，缺點是觸電壽命有限且噪聲大；除了上述方法外，還有諸如采用分立元件、運算放大器結合P型晶體管等。

4 串聯(lián)電池組電壓均衡電路

串聯(lián)電池組電壓均衡電路近年來也得到了很大的發(fā)展。例如德國Kaiserse Lautern大學、美國凌立爾特公司、日本豐田公司等。很多公司也為此開發(fā)了專用芯片，美國Intersil公司最近研發(fā)一系列芯片ISL92OS/16/17可以做到最多12節(jié)串聯(lián)小容量鋰離子電池均衡。哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學等對電池均衡工作也做了比較深入研究。但總體而言，國內技術還有待進一步提高[18-19]。

對串聯(lián)電池組均衡電路主要有兩類方法：一是能量消耗型，即給電池組中每節(jié)單體電池并聯(lián)一個分流電阻，將多容量電池中多余能量消耗掉，達到均衡目的；二是能量非消耗型，即采用電感、電容作為儲能元件，利用常見電源變換電路將多余能量在電池間進行重新分配，達到電池間能量轉移[20]。

4.1 能量消耗型

能量耗散型一般有兩種類型，Stuart T A[21]等研究的恒定分流電阻均衡充電電路[圖2(a)]和開關控制分流電阻均衡充電電路[圖2(b)]。其中后者的分流電阻是通過開關控制的，在充電時，通過對單體電池電壓的巡檢，發(fā)現某節(jié)單體電池達到充電電壓上限時，導通與其并聯(lián)的單體均衡模塊的開關，將多余的能量轉化為電阻的熱能。同時，未充滿的電池仍然可以繼續(xù)充電，直到充滿為止。這種電路可靠性高、價格低廉，且電路結構簡單。但是缺點是效率低下，無法控制分流電流，存在能量浪費和熱管理的問題。

圖2 能耗型均衡電路

4.2 能量非消耗型

能量非耗散型電路的耗能比能量耗散型要小，但電路結構也相對復雜，大致可分為能量轉移式均衡和DC-DC變換器法兩種。

4.2.1 能量轉移式均衡電路

能量轉移式均衡電路首先以LI Hai-dong研究的[22]電容式均衡電路為例[圖3(a)]，該電路通過切換電容開關，由電容傳遞相鄰電池間的能量直到均衡。Baughman A C經研究發(fā)現這種電路雖然能量損耗很小，但是要想達到均衡須經過多次傳輸，效率低下[23]。改進的電容開關均衡方式可通過選擇,將多余的能量直接轉移到電壓低的單體電池上，而不用通過整個電池組逐級轉移，使均衡效率得到提高。

Zhao Juan等研究[24]的電感式均衡[圖3(b)]與電容式均衡類似，是將電感作為儲能工具，實現多余的電量在電池間傳遞。與電容式均衡類似，電感式均衡在同時對多節(jié)電池進行均衡時，其控制策略復雜且均衡時間過長，效率有待提高。

4.2.2 DC-DC變換器法

4.2.2.1集中式變壓器均衡

集中式拓撲通過一個多輸出的變壓器，從電池組獲取能量后將能量傳遞到電壓最低的電池中。它一般分為兩種方式，即變壓器方法均衡和繼電器網絡均衡。本文只對第一種均衡方法進行分析。如圖4所示，就是一個由單向隔離反激變換器和多副邊繞組變壓器組成的集中式均衡方案。變壓器的原邊接動力電池組的兩側，副邊一側的每個線圈對應各節(jié)單體電池。當系統(tǒng)檢測到某個單體電池電壓過低時，變壓器電池組一側的開關管導通，與原邊形成回路，能量存儲在變壓器線圈中；當開關斷開時，變壓器中的能量就會釋放給電池單體，能量較低的電池吸收能量[25]。

圖3 能量轉移式均衡電路

圖4 集中式均衡方案

這種結構的優(yōu)點是可多節(jié)電池同時均衡，均衡效率很高。缺點是次級繞組根本不可能做到完全匹配，變壓器存在漏感所造成的電壓差也很難補償，且不易于模塊化，在整個均衡過程中，還無法測量單體電池電壓。

4.2.2.2分布式變壓器均衡

(1)隔離型

所謂隔離型就是指DC-DC變換器的主次級相隔離，通過脈沖變壓器的磁耦合方式傳遞能量。而它又可以分為正激和反激兩種拓撲方式。正激反映的是脈沖變壓器的原/副邊的相位關系,確保在開關管導通，驅動脈沖變壓器原邊時，變壓器副邊同時對負載供電。反激則和正激完全相反。

在Kutkut N H等研究的隔離型拓撲[26]中，反激式結構最為常用。它適合于電動汽車串聯(lián)電池單體數量較多的電池組均衡。其優(yōu)點是開關元件的電壓等級與串聯(lián)級數無關，均衡效率高，電路結構模塊化好，容易擴充。缺點主要有變壓器效率不高，磁路復雜存在漏感，要做到各副邊參數一致較困難。該拓撲可繼續(xù)分為單向和雙向結構，如圖5所示。對于單向結構的均衡器，使用自組高壓到單體低壓的變換器適用于放電均衡，使用自單體低壓到組高壓的逆變器適合充電均衡。而雙向結構的變換器的輸入輸出都可以動態(tài)調整，實現單體和組之間的雙向能量傳遞，無疑更具優(yōu)勢。

圖5 (a)單向結構和(b)雙向結構

(2)非隔離型

非隔離型是指輸入端與輸出端電氣相通。在相鄰電池間的DC-DC均衡電路是一個雙向無變壓器的結構，因此適用于串聯(lián)電池單體數目較少的情況。比較常用的拓撲形式有Buck/Boost和Cuk[27]。

Kutkut N H[28]率先研究的Buck/Boost雙向變換器法如圖6(a)，在每個相鄰的單體電池間連接一個Buck/Boost變換器。它通過比較相鄰電池間的電壓，將高電壓電池的能量通過變換器轉移到低電壓電池中去。這種方法的優(yōu)點是能量損耗低，電壓均衡速度快，對充放電狀態(tài)都可進行電壓均衡，但缺點是需要的電感、開關管等功率器件多、控制復雜、成本高。它適用于充放電功率高的場合[29-30]。

祁新春等[31]研究的Cuk雙向變換器法見圖6(b)，它在每兩個相鄰電池間都有一個Cuk變換器，通過變換器將高電壓電池的能量轉移到低電壓電池中。與Buck/Boost法相比，電路上的電感電流紋波小、損耗低、效率更高，但上述Buck/Boost的缺陷依然存在。

4.2.2.3其他改進DC-DC拓撲結構

針對以上兩種非隔離型DC-DC均衡電路所存在的問題，還發(fā)展了以下兩種新的拓撲結構，如圖7(a)所示，當組中的某一節(jié)電池電壓過高時，相應的晶體開關管導通，從而吸收該電池的能量于電感中；當開關管關斷時，電感則通過其余的均衡單元給電容器充電，當電容電壓達到一定閥值時，最后通過開關管Qn+1和電感Ln+1將能量饋送回整個電池組。該電路的優(yōu)點是元器減少，動態(tài)均衡效果好，但是開關管的電壓應力較大，并不適用于大功率高電壓的動力電池組中[32]。圖7(b)所示的電路中，當其中一節(jié)單體電池電壓過高時，相應的開關管同樣會導通，此時能量會儲存在對應的兩個電感中；當開關管斷開時，對應的兩個儲能電感分別通過其他各個開關管的體二極管續(xù)流，將能量依次傳送到相鄰兩部分的其他電池。這種電路同樣元器件少，但是隨著電池數量增多，均衡電流隨電池位置趨于兩端而減小，降低了均衡效率[33]。

圖7 基于DC-DC的改進拓撲結構

5 總結與展望

串聯(lián)電池組電壓均衡電路雖然研究相對較早也有長足發(fā)展，出現各種拓撲形式的均衡方案，在一定誤差允許范圍內，也可以有效地運行，但依然無法很好做到大電流下動態(tài)均衡，還需在以下方面做進一步研究：

(1)研究出新的均衡拓撲結構，包括考慮應用軟開關和磁損耗優(yōu)化等方法，研究出體積小、損耗小、更加智能的均衡電路模塊。

(2)未來串聯(lián)電池組均衡應向高效可靠、易模塊化、可級聯(lián)性和實用性強，要解決好大電流下動態(tài)均衡，還要防止因電力轉換部的傳導干擾和電路外部的高頻干擾而導致錯誤動作發(fā)生。

(3)在均衡控制策略上，應研究新的均衡算法，例如把電壓均衡和SOC均衡結合起來，以提高均衡效率和均衡速度。

(4)在進一步提高電池制造工藝水平的同時，針對不同電池組可以考慮開發(fā)一個統(tǒng)一控制測試平臺，讓動力電池組均衡有望實現工程化。

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Research progress of equalization charging for EV traction battery

SHEN Dan,XIA Zheng-peng,NI Hong-jun,YUAN Yin-nan,LIAO Ping

Performance and cost of electric vehicles were depended largely on the performance and service life of the battery pack.Performance and service life of the battery pack were influenced by the balancing system of the battery pack.Electric vehicle series battery pack balancing method was summarized;the domestic and foreign common means for SOC estimation and voltage measurement were cited.Domestic and foreign car series battery voltage equalizer circuit was analyzed,and its development direction was prospected.

electric vehicle;power battery;series;equalizing circuit

TM 912

A

1002-087 X(2014)02-0390-04

2013-06-21

國家科技支撐計劃課題(2011BAG02B10)

沈聃(1988—)，男，江蘇省人，碩士生，主要研究方向為車輛電子及新能源技術。

廖萍，E-mail:liao.p@ntu.edu.cn