胡浪　喬俊叁

摘 要：在新能源汽車的發(fā)展進程中，動力電池組的各單體電池間之間存在個體差異性。本文從電池的特性出發(fā)， 闡述了車用鋰離子電池均衡管理系統(tǒng)延長電池組壽命的重要性以及研究的必要性。重點介紹了車用鋰離子電池均衡判斷標準、鋰電池均衡管理技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀， 以及鋰電池均衡管理的不足及發(fā)展趨勢。

關鍵詞：鋰離子電池 均衡 管理

Overview of the Development of Balance Management System for Vehicle Lithium-ion Power Battery Packs

Hu Lang，Qiao Junsan

Abstract：In the development process of new energy vehicles， there are individual differences between the individual cells of the power battery pack. Starting from the characteristics of the battery， this article explains the importance of the vehicle lithium-ion battery balance management system to extend the life of the battery pack and the necessity of research. It mainly introduces the balance judgment standards of lithium-ion batteries for vehicles， the current development status of lithium battery balance management technology at home and abroad， as well as the deficiencies and development trends of lithium battery balance management.

Key words：lithium-ion battery， balance， management

能源危機和環(huán)境污染是當今世界面臨的兩大問題[1]。石油作為一種戰(zhàn)略性資源，雖然寶貴但它帶來的環(huán)境污染同樣不容小覷。經(jīng)過多年的努力，電動汽車的發(fā)展已經(jīng)進入了一個歷史突破點。近年來純電動汽車行業(yè)發(fā)展迅猛，純電動汽車產(chǎn)業(yè)已達到相當大規(guī)模。但目前制約電動汽車行業(yè)發(fā)展的最大問題仍然是電池管理技術，電動汽車電池一直以來是新能源汽車行業(yè)發(fā)展的最大阻力。鋰電池相比于鉛酸蓄電池，具有自放電率低、體積小型化、使用壽命長、比能量高、熱效應弱、無記憶性等優(yōu)點[2]，是電動汽車首選的動力源。但是由于生產(chǎn)加工過程中的電池個體制造差異性及鋰電池本身特有的化學屬性，使得同批次的單體鋰電池初始容量、內阻、電壓等方面存在差異[3]，造成鋰電池成組使用時存在單體鋰電池各參數(shù)不一致，因此難以達到完全均衡的充電及放電的目標，電池組內出現(xiàn)電池過充或過放便是常見的現(xiàn)象了，隨著充電循環(huán)次數(shù)增加單體電池各參數(shù)成線性規(guī)律衰減，從而導致整個電池組無法正常工作甚至報廢[4]。由于控制電池生產(chǎn)加工程序還不足以解決電池組的不一致性問題，于是鋰電池組均衡管理系統(tǒng)應運而生。

1 電池均衡的判斷準則

均衡控制策略判斷標準選取的變量，主要有電池容量、電池的荷電狀態(tài)SOC和電池電壓等。現(xiàn)階段均衡變量的研究熱點主要集中在電池的SOC和電池的端電壓的精準測量上。

1.1 以電池容量作為均衡判斷準則

電池容量，是評價動力電池性能的重要參數(shù)之一，隨著電池組充電循環(huán)次數(shù)的增加，各單體電池間容量的差異越來越大，以容量為均衡判斷準則是指通過加入均衡控制算法使各單體電池的實際容量基本一致。由于受溫度、電池老化、自放電等因素的影響，各單體電池的真實容量并不容易獲得，因此容易造成電池組中絕大多數(shù)電池有浮電，反而降低了電池的平均使用壽命。

1.2 以電池的荷電狀態(tài)（SOC）為均衡判斷準則

荷電狀態(tài)（SOC），是評價鋰離子電池性能非常重要的指標，它為動力電池的穩(wěn)定運行提供可靠保證。以電池SOC作為均衡判斷準則的前提是能夠精確的估算出SOC，但是電池SOC的測量跟電流、電壓的檢測方法不同，電池SOC需要在精確測量出電池組端電壓、電阻、溫度、電流等參數(shù)的基礎上，建立算法和電池模型綜合分析來獲得。以電池的荷電狀態(tài)SOC作為均衡的判斷準則時，在線實時監(jiān)控各單體電池的SOC，并設定均衡閾值，一旦差異值設定值啟動電池均衡管理系統(tǒng)，直到各單體電池的SOC差異值在均衡閾值范圍之內。該均衡方法從理論方面可以達到非常好的均衡效果，但是目前受限于SOC的獲取精度問題，建立估算SOC的電池模型及控制算法非常復雜，所以該均衡判斷準則是國內外學者共同關注的難點。

1.3 以電池電壓為均衡判斷準則

以電池電壓作為均衡判斷準則的基礎是能夠精準測量出電池的外電壓，然后對鋰電池組內電壓相對較高的單體電池進行放電，反之充電，以此方案將組內電壓調整為基本一致，大大提高了電池組的能量利用率，提高了電池組的平均使用壽命。該均衡控制由于各單體電池外電壓的檢測技術已經(jīng)非常成熟，并且測量精度高，所以以電壓作為均衡判斷準則是目前最為可行的方法。

2 鋰電池均衡管理技術國內外研究現(xiàn)狀

為了讓各單體電池的均衡判斷參數(shù)保持基本一致，均衡管理系統(tǒng)作為BMS的重要組成部分，其地位和作用顯而易見。目前電池均衡管理技術主要有能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡2種[5]。能量耗散型即一種通過旁路電阻等將能量較高的單體電池的多余能量以熱能形式耗散的均衡方式，也稱為被動均衡。非能量耗散型均衡即使用分流元件、電壓轉換器等將多余的能量傳遞到低能量的單體電池中[6]，從而實現(xiàn)單體電池電量的互補， 能量利用率和轉換率均得到較大幅度提升， 改善了電池組的一致性[7]。

2.1 被動均衡

被動均衡的控制原理是將電池組中能量較高電池中的多余能量以熱量的形式散發(fā)出去，該均衡方法會造成能源的浪費，不符合當前環(huán)保的理念。被動均衡中應用最多的電阻均衡法，其工作模式為，設定均衡閾值，一旦檢測到單體電池各參數(shù)滿足開啟條件便將開關關閉，形成放電所需要的回路。該均衡方式由于電路拓撲結構簡單而受到了廣泛的應用[8]。

2.2 主動均衡

主動均衡能夠實現(xiàn)能量直接在單體電池間進行轉移，具備散熱少、效率高、能量浪費低的特點。主動均衡主要采用電感（電容）和變壓器等元件。

2.2.1 電感（電容）均衡

電容（電感）均衡控制方式是采用無源器件電感或電容來作為儲能器件，傳遞單體電池間的能量。通過對電容開關進行控制，實現(xiàn)在電容的充電和欠壓電池放電的過程，能量通過無源器件電感或電容進行再次分布， 從而保證電池組中單體電池的電壓趨于相同。該均衡方式最大的優(yōu)點就是幾乎不消耗能量，通過將能量進行重新分配來實現(xiàn)電池組的均衡，該種均衡方式主要應用于單體電池之間的能量均衡。文獻[9]中基于耦合電感的高效鋰離子電池的均衡控制方法，文章中選用了8個電壓不同的單體電池進行衡實驗，經(jīng)過120min的均衡時間，各單體電池間的壓差僅為10mV，實驗數(shù)據(jù)表明該均衡策略平衡時間快且平衡過程中的能量消耗少。

2.2.2 變壓器式均衡

電池串聯(lián)的情況下適合使用變壓器式均衡，由于變壓器具備良好的隔離效果。變壓器式均衡控制策略是通過將能量高的單體電池的電量進行轉化，利用開關線圈的特性能夠快速的將電能轉化為磁場能并儲存起來，當需要均衡時變壓器將磁場能又轉化為電能給能量低的電池。該均衡方式均衡速度很快，但是由變壓器組成的均衡控制器存在漏磁的風險，磁場能量損耗導致均衡效率較低。文獻[10]于雙向反激式變壓器的主動均衡控制策略，文章中選用了12節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)的電池組作為實驗對象，經(jīng)過8.5h的均衡時間，各單體間的壓差降至70mV，電池組的不均衡性得到很大的改善。

2.2.3 DC-DC變換器式均衡

變換器是指能將一種數(shù)值的電壓值轉化為另外一種數(shù)值的電壓值的設備，DC/DC變換器式均衡是利用開關管等半導體器件結合儲能元件形成的均衡管理控制策略，通過算法控制開關管的通斷來達到調節(jié)功率的目的。該均衡控制策略采用模塊化的產(chǎn)品來實現(xiàn)均衡控制，性能穩(wěn)定、體積小型化，但是需要對模塊進行封裝，因此目前受限于模塊封裝技術。

3 鋰電池均衡管理的不足及發(fā)展趨勢

在國家政策的大力支持下，電動汽車行業(yè)的發(fā)展非常迅速，但是還處于初期研究階段，而充電均衡管理為電池關鍵技術之一，現(xiàn)階段雖有較大的突破及研究成果，但仍然有許多地方需要完善和改正。

（1）由于外電壓易獲得，所以當前多數(shù)充電均衡管理系統(tǒng)都是以外電壓作為均衡判斷準則的。這樣提高電壓的測量精度就勢在必行了，因此，設計出簡單、高效的電壓檢測電路成為現(xiàn)現(xiàn)階段首先要解決的問題。

（2）精確估算電池荷電狀態(tài)SOC仍將是今后研究的重點及難點。

（3）能量轉移型均衡就是將容量較高的單體電池轉移一些電量給容量較低的單體電池，如電感（電容）、高頻變壓器等均衡控制電路。該方案雖然有效，但電路的拓撲結構有點復雜，理論上電感、電容是不耗能元器件，但在實際的使用過程中，肯定會消耗一部分電量。

（4）當前雖然出現(xiàn)了許多種均衡控制算法，但是電池組的均衡問題依然沒有攻克，因此提出更為優(yōu)化的控制策略迫在眉睫，對目前成熟的控制策略組合來得到最優(yōu)的均衡管理系統(tǒng)，將是未來的研究方向。

（5）目前，國外大多數(shù)成熟的電池管理系統(tǒng)都是只針對單一特定型號的電池或電池組研發(fā)，通用性不夠，所以對更為通用的電池均衡管理系統(tǒng)的研發(fā)將成為今后發(fā)展的方向。

4 結語

新能源汽車作為一種既滿足能源損耗及污染均較小之要求的交通運輸工具，必將成為未來汽車行業(yè)發(fā)展新趨勢，電池均衡管理系統(tǒng)在電動汽車的發(fā)展中起著關鍵作用，是推動電動汽車發(fā)展的必然動力。電池均衡管理系統(tǒng)一直都會是熱門研究方向，在未來的研究中，電池均衡管理系統(tǒng)將更好地服務電動汽車，獲得更大的進展。

參考文獻：

[1]譚澤富.電池管理系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].重慶理工大學學報（自然科學），2019，33（09）：40-45.

[2]韓慶康.鋰電池均衡管理控制策略研究[J].裝備機械，2019（3）：9-11.

[3]侯湘怡.電動汽車磷酸鐵鋰電池均衡管理策略綜述[J].內燃機與配件，2020，（04）：241-242.

[4]吳鐵洲.基于三閾值控制的主動均衡策略研究[J].電源技術，2020，（3）：357-359.

[5]陳濤.電池系統(tǒng)均衡技術研究[J].通信電源管理技術，2020（9）：32-35.

[6]史風棟.鋰離子電池組均衡控制方法的研究進展[J].電池，2019（3）：251-253.

[7]魯文凡.動力電池組均衡控制系統(tǒng)的研究進展[J].電源技術，2017，41（01）：161-164.

[8]汪琦.電池管理系統(tǒng)均衡控制策略研究[J].軟件工程，2020，23（09）：13-16.