【文|电动汽车资源网 特约作者：王世强，李浩晨】
1引言
随着新能源汽车的不断发展,锂离子动力电池得到越来越广泛的应用。由于材料、制造工艺、使用环境的差异,即使新电池配组时容量一致,动力锂电池组在使用过程中,串联的各节之间也会出现各种差异,每节电池的荷电状态也就是SOC高低不同,影响电池组的容量发挥。如果不加处理,电池的各项性能会迅速恶化,加速电池的损坏,大大降低电池的使用寿命。均衡的需求如图1所示,对于新电池,随时检查各个电池的SOC状态,防止出现差异分化,对于使用过一段时间的旧电池,缩小电池SOC之间的差异。
图1 均衡的技术需求
均衡的技术可以分为能量转移技术和控制技术两方面,针对电池的使用状态,可以分为放电均衡、充电均衡和静置均衡。
能量转移技术可以分为能量消耗方式和能量利用方式。文献[1]中提出的方法就是能量消耗方式,在电池的正负极之间并联接入一个电阻,控制电阻的放电,从而将电池电量多的电池SOC降低,最终满足所有电池均衡的目的。这种方法结构简单,使用可靠,其缺点是能量完全损耗,且均衡电流产生的热量需要慎重处理,以免温升过高造成问题。文献[2]是一种典型的能量利用方式,每个电池都接到同一个变压器的不同线圈上,变压器的磁储能相当于一个电池之间能量换乘站,这种方式可以把任意一个电池的电能转化为变压器的磁能,再变换为电能给任意一个选定的电池充电。这种方法的优点是可以将电量高的电池中转移出来的电能利用,主要电路体积和变压时产生的脉冲问题。此外,也有电容作为中间储能元件的做法,这类方法的特征就是有一个中间储能单元,这个中间储能单元能够把某个电池放出来的电再充给电池组或者某个电量少的电池,或者把整组电池的电放出来补充给某个电池。
图2 从整组电池转移能量给某个电量低单体的原理示意图
均衡控制技术主要是决定均衡能量转移的对象,对于能量消耗方式,主要决定哪个电池需要消耗能量,什么时候该开始,什么时候该结束。对于能量利用方式,需要决定哪个电池需要转出能量,哪个电池需要转入能量,什么时候该开始什么时候该结束。董博等人[3]从荷电状态SOC估算入手,通过对单体电池SOC准确估算,来作为均衡的判断依据,即最高单体的SOC与最低电池的SOC差异大于某个设定值后,均衡启动,直到最高SOC的单体与最低SOC单体之间SOC差值少于某个设定值。韩江洪等[4]改进了基于SOC的均衡控制策略,考虑了倾向于过充、倾向于过放和整体容量一致三种情况,分别以不同的启动和终止条件来对电池进行均衡。这类均衡策略最大的困惑在于SOC估算的困难,要实现有效能量转移,就必须对能量转入和转出有正确的判断,以免随机盲目的转移电能,而SOC的估算准确度很难做到10%以内,即使做到10%以内,那么电池容量这么大的差异已经远远超过了使用者对电池不均衡的容忍度,也就是说,基于SOC估算的均衡效果无法使人满意。文献[6]则是将电压完全一致作为控制依据,当单体最高电压和最低电压的差值大于某一设定值的时候,开启均衡,直到单体最高电压和最低电压的差值小于某一设定值。这种方法原理上就存在缺憾,电压大多数时候无法准确的代表电量多少,这种控制策略会不停的盲目随机的启动和停止均衡能量转移。
通常理解的充电是指插电充电,充电过程的特点是电池组的总电流或者总电压稳定,静置过程的特点是用电电流为0或者稳定的小电流,放电过程表现为工况电流,对于混合动力,即使电能流向电池也算工况。文献[6]分析了能量消耗方式和能量转移方式在充电过程中的应用,因为充电的目的是每个电池达到SOC100%,并且SOC100%就是由充电满来定义,因此充电均衡是可以实现的。均衡充电的理想是根据电池单体的不同状态来调整每个电池单体的最佳充电电流,使所有单体的充电曲线达到类似并联充电的效果。静置过程中的均衡,文献中按照充电过程来进行均衡[7]。 放电过程的均衡,是均衡的难点,由于电流较大,一般采用能量转移方式。
图3 均衡充电原理示意图
2均衡设计原理
均衡,最理想的状态是等同于并联使用。但是这要求SOC测试的高精度和均衡电流的不受限制,这在实际中是做不到的,因此,均衡退而追求可用容量的最大化。由于能量消耗方式不能增加任何一节电池的可用电量,因此电池组最大可能的可用容量不超过容量最小的单体。而能量转移式均衡,在充放电过程中,由于SOC测试的困难,一般充放电过程中,只有单体充满电100%SOC和单体放完电0%是可以测准的,中间测试SOC的误差往往大于10%,电池组中容量大于10%已经劣化非常严重了,应该早在此之前就开始均衡,所以主动均衡能够使正常健康的电池组发挥的容量也很难超过电池组中容量最小的单体。即使采用电压相等的均衡控制策略,由于充放电过程中端电压与SOC的对应误差也超过10%,这实际跟并联使用的均衡目标类似,需要电池测试的高精度和均衡电流的不受限制。电压测试高精度做得到,均衡电流不受限制做不到。
从以上分析得知,整组电池的可用容量基本不会超过电池组中容量最小的单体。这个目标只要让每个单体充电充满到100%,然后由于放电时电流一样,容量最小的最先放完电,整组电池表现的可用容量就等于容量最小单体的容量。所以,均衡的目标可以简化为满电均衡。静置过程中,静置时间足够长后,由于端电压OVC可以准确的指示电池单体SOC,这时候可以将均衡策略定为每个电池的100%SOC的电量与当前SOC电量的差值相同,这样只要充电,就保证每个电池同时充满,只要放电,就保证容量最小的单体最先放光,达到电池组可用容量的最大化。
图4 均衡目标示意图
以上考虑的是每个单次循环中如何均衡,如果考虑到连续多个循环中的均衡,那就可以考虑导致电池需要均衡的原因。通常认为电池不均衡的来源有三个,一个是电池单体的自放电率不一样,本来可以同时充满电的,同时充满电后,静置,由于自放电率的不同,每个单体满电电量和当前可用电量的差值也变得不同。由于不管是充电、放电还是静置,自放电一直在进行,因而自放电率的差异导致的均衡要求是随时间增加的。为了抵销这部分影响,可以并联一个小电阻,使得每个单体的等效自放电率接近,降低自放电率引起的电量差增加速度。由于自放电率可以测定,因而这个是可以实施的。不均衡的另一个来源是每个电池单体的劣化进度不一样,这样等于每个单体的满电电量到当前SOC电量上部的电量容量变化时不一样的,这种差异积累到一定程度就需要均衡。还有一个来源是电池的使用环境和条件不一样,电池单体每次表现的也不一样,当一次均衡过后,某次的表现容量使得单体之间差异大到需要启动均衡。当然这三种影响因素是叠加的,只要叠加的差异大到需要均衡,就得启动均衡。
3均衡系统设计
3.1初始设计
初始的电池组经过配组后,可以认为每个单体的容量是相等的,也是同时充满了电的,单体的劣化差异和环境差异无法知道,这时候只需要考虑到自放电的差异,根据单体测得的自放电率,利用并联电阻给每个单体一个旁通电流,使每个电池单体的自放电率与旁通电流之和相等。
3.2 充电均衡
充电均衡主要均衡掉容量劣化差异和环境影响差异,加上自放电率差异补偿的误差。由于电池要几千个循环才会劣化20%,比如1000,最极端的是一个单体劣化了20%,而另一个却每个劣化。这样每个单体正常的情况下,每个循环的劣化差异不能超过万分之二,按300安时的电池组来算,每个循环的劣化差异不超过60mAh。这么小的差异,完全可以在充电的过程中,甚至在整组电池充满后,以几十毫安的电流进行耗能均衡消除。
3.3 静置均衡
静置足够长的时间后,电池单体的开路电压可以代表SOC,电池环境趋向于一致,这时候可以评估每个电池满电电量与当前SOC电量的差值。如果预计不同电芯之间的差异在下次充电时需要做充电均衡,则当前静置状态采用小于10毫安的电流进行均衡,直到看不到充电均衡的预期。
3.4 放电均衡
由于放电过程中SOC测试不准,且大电流均衡电路复杂、成本高、可靠性差,放电过程不做均衡。
3.5 维护均衡
如果上述设计的自动均衡中,存在考虑不周的原因,而导致电池组的可用容量无法自动恢复到最小单体容量的水平,则采用维护均衡,维护均衡使用均充设备,均充设备的原理与图3相似,保证每个电池单体充满。
4结果与结论
采用上述设计的均衡管理系统,自2015年8月开始在某6米和8米样车上运行至今,还没有出现维护均衡的需要,没有接到客户行驶里程即可用容量异常的报告,可见3.1~3.4的设计足够保持均衡目标的实现。
均衡是一个电池管理系统BMS研究的热点,通常把能量消耗式称为被动均衡,而把能量转移式称为主动式均衡,根据我们的研究与观察,电动大巴使用微小电流做能量消耗式均衡性比较和安全可靠性更好。主动均衡暂时看不到应用的价值,随着技术的进步,或许可以进行主动均衡的应用研究。（来源：电动汽车资源网 王世强，李浩晨）
参考文献：
[1] Moore S W, Schnerder P J. A review of cell equalization methods for lithium ion and lithium polymer battery systems[C]. SAE paper. USA: SAE, 2001: 2001-01-0959.
[2] Kutkut N H, Divan D M, Novotny D W. Charge equalization for series connected battery strings[J]. IEEE Trans on Industrial Application, 1995, 31(3): 562-568.
[3] 董博,李永东,韩叶飞. 基于剩余容量估算的快速蓄电池均衡[J]. 清华大学学报:自然科学版,2012,52(3):374-379.
[4] 韩江洪,王龙飞,刘征宇. 基于剩余容量的锂离子电池组均衡策略[J]. 电子测量与仪器学报,2014,28(10):1047-1052.
[5] 黄勤,严贺彪,林睿. 串联锂电池组无损均衡管理方案设计与实现[J]. 计算机工程,2011,37(12):226-229.
[6] 徐顺刚,钟其水,朱仁江. 动力电池均衡充电控制策略研究[J]. 电机与控制学报,2012,16(2):62-65.
[7] 崔继友. 电动汽车动力电池均衡管理系统的设计与实现[D]. 桂林电子科技大学,桂林,2014: 38.
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