一种电动汽车动力电池组动态匹配均衡器的设计与实现

刘佳庚，赵美红

（辽宁工程职业学院，辽宁，铁岭 112000）

一种电动汽车动力电池组动态匹配均衡器的设计与实现

刘佳庚，赵美红

（辽宁工程职业学院，辽宁，铁岭 112000）

围绕新能源汽车动力电池组充放电过程容量不均衡、电池组整体性能下降这一关键科学问题开展研究。在升压斩波电路和 Cuk 均衡器的基础上，设计出了一种可根据荷电状态差异程度来动态调节单体电池充放电的优先匹配顺序、高均衡效率的新型均衡器。试验表明，新型均衡器有效提高了动力电池组的整体性能，对完成高效均衡具有一定的实际应用价值。

动力电池；均衡器；动态匹配；均衡控制；荷电状态

动力电池是电动汽车的一个重要组成部分，动力电池的性能优劣对电动汽车产业的发展起到至关重要的作用。但是，由于动力电池在制作材料、过程和生产工艺上存在差异，所以即便是相同型号的电池也会存在一些差别。尤其是随着使用时间的增加，单体电池之间的性能差异将逐渐增大[1-4]，这将造成某些单体电池过充电、过放电现象的发生。过充和过放不仅会导致电池组容量不均衡、整体性能下降，而且还影响其使用寿命，甚至还可能发生爆炸等危险[5]。电池均衡器作为能够解决串联电池组容量不均衡、整体性能下降等问题的一个电子控制器，是汽车电池管理系统研究的重中之重，也是推动电动汽车产业化发展的重要因素[6]。

动力电池均衡器有电阻式、电容式和电感式三种基本形式[7]。电阻式均衡器以其结构简单、造价低廉的优势而得到较为广泛的应用，但电阻式均衡器属于耗能型，它主要以消耗电能的方式来解决电池组的不均衡问题，不仅能量没有得到充分利用，反而在均衡过程中让能量白白流失[8-9]。非耗能型均衡器可以避免上述问题， 电容式均衡器利用电池组的高低电压来实现均衡，均衡后使每个电池具有相同的电压，但由于无法控制励磁涌流，在电池电压差异较大时会出现纹波电流流入电池[10-12]。电感式均衡器可以在电池组间电压差较大时最大限度地分配电流，但电流只能在相邻电池间分配而无法实现电池组间所有电池的平均分配，并且需要在每个电池上使用大量的元器件，不仅要求控制器有较高的处理能力，而且造价高[13-15]。

针对此类问题，有学者对新型的非能耗型均衡器展开了大量研究，比如静态恒流均衡器利用单向正激变压器实现能量传递[16]，还有文献依据负载阶跃变化时动力电池端电压变化特性提出动力电池参数动态预估的单体能量均衡器，并根据参数差异实现动力电池组的能量均衡控制[17]。LC 振荡均衡器、LLC 谐振均衡器等多种均衡器[18-20]，它们都存在一个共同的问题，即不能对动力电池组中的电池进行动态的、最优化的均衡，并且结构复杂，控制方式繁琐。

基于此，本文在升压斩波电路和 Cuk均衡器的基础上，设计出了一种可根据荷电状态差异程度来动态调节单体电池充放电的优先匹配顺序、高均衡效率的新型均衡器，这种均衡器使能量传递更有针对性，可动态地调节均衡电路开关开断占空比，有效提高均衡效率。

1 新型的均衡器拓扑结构

新型均衡器控制电路如图1所示，为以n个单体电池串联组成的电池组的均衡拓扑结构。整个系统由动力电池组、并联开关组合模块、检测模块、控制模块、均衡模块组成，均衡模块由一个电感L、一个电容 C、两个限制二极管和 4 个 MOSFET 开关管组成。由于在每次均衡电路工作时，只有两个单体电池参与均衡工作，因此可以选用低功耗的开关管，这样不仅可以降低能量的损耗，同时也降低了驱动功率，可以提高均衡电路的节能水平，减少电路中不必要的能量损耗。本均衡电路是通过电感L和电容C之间的不同组合来实现非能耗型的均衡，在均衡电路工作的过程中，可能会导致反向电流的产生，这种反向电流会影响到均衡电路的整体工作性能，所以为了避免该现象的发生，在Q1和连接点之间、Q3和连接点之间分别连接了两个二极管，这两个二极管可以阻碍均衡过程中反向电流流过。

图1 新型均衡器控制电路

检测模块是由电压传感器、电流传感器、温度传感器以及放大驱动电路组成，控制模块由DSP芯片最小系统组成，并联开关模块由并联的 2n个高速开关管组成。

2 新型的均衡器工作原理

检测模块中的各个传感器将检测每个电池的电压值、电流值和温度值，传送给控制模块的中央处理器，中央处理器根据所检测到的参数，通过预设程序的计算预估出各个电池的荷电状态（SOC）情况。将 SOC 值进行排序，对 SOC 最高的电池与SOC 最低的电池进行配对，并将这两个电池的控制信号传送给并联开关组合模块，由并联开关组合模块对这两个单体电池进行接通与关闭，从而对这两个单体电池进行均衡管理。与此同时，中央处理器也将根据监测到的数据计算出 4 个 MOSFET 的占空比时间，并发出 PWM 驱动信号来对 4 个 MOSFET进行驱动开断，从而实现两个单体电池之间的能量转换。由于是非能耗均衡，在均衡的过程中能量只在电池内部转化，不存在能量的损耗与流失。待均衡结束后完成一个循环周期，再重新检测，如此往复。

为了进一步说明本均衡器的工作原理，设 Bi、Bj为配对成功的两个单体电池，其中 Bi为 SOC 高的电池，Bj为 SOC 较低的电池。在中央控制器的控制下，高 SOC 电池向低 SOC 电池作能量转移，使低 SOC 电池的能量与高 SOC 电池的电压相等或相近，最终达到整个电池组内所有单体电池能量的均衡。均衡电路简图如图 2 所示，MOSFET 工作时序图如图3所示。

图2 均衡电路原理图

图3 MOSFET 时序图

整个均衡过程需要经过三个阶段：

阶段 1[0-t1]：MOSFET 开关管 Q2、Q3导通，接通 Bi，单体 Bi将电荷传递至电感 L 上，L 处于充能状态。

阶段 2[t1-t2]：开关管 Q2、Q4导通，由于电感特性，经过L的电流不能突变，存储的能量沿着回路慢慢衰减。此阶段中单体 Bi与电感 L 共同对电容C 充电储能，由于是电感 L 和电池 Bi共同对电容 C进行充能，所以实现了升压储能。由于每个单体电池电压的差距并不是很大，所以在均衡过程中不会产生较大的电流。

阶 段 3[t2-t3]： 断 开 Bi， 接 通 Bj， 同 时 将 开 关管 Q1、Q4导通，电容 C 对 Bj进行充电。

以上三个阶段通过电感L和电容C的不同组合实现了电能在两个单体电池之间的转移。

3 新型的均衡器控制策略

通过借鉴现有文献研究理论[12-21]，本研究对SOC 与电池容量损耗进行叠加并预估出新的单体电池SOC状态值，并将该值作为确定单体电池排列顺序的主要依据。若电池为新电池则容量损耗可忽略，但随着电池使用时间的加长，电池的容量损耗将会影响电池的整体性能，所以不可忽略不计。通过排序结果计算出新的 SOC 最大值和 SOC 最小值，并进行配对处理，以确保每次均衡过程只包含一对单体电池。为了进一步阐述控制原理，假设单体电池B1的 SOC 值最大，单体电池 B2的 SOC 值最小，B1向 B2传输能量，假设不考虑线路、开关管损耗和误差，则可将均衡器看成是一个理想变压器的组合，如图4所示。算出 Err以及相应的 k 值并逐步改善 MOSFET 的占空比。最终以确保 Err的值达到某一恒定值，来实现高质量的均衡，使两个电池之间的SOC状态达到同一水平后结束本次均衡，如此循环。

图4 均衡器模型简图

通过对误差Err的计算以及相应的k 值来确定开关管MOSFET 的开断占空比，在输入端上还引入了输出反馈信号，将其与输入信号叠加处理重新计算出Err以及相应的k 值并逐步改善MOSFET 的占空比。最终以确保Err的值达到某一恒定值，来实现高质量的均衡，使两个电池之间的SOC 状态达到同一水平后结束本次均衡，如此循环。

根据均衡控制策略，控制能量在任意两个单体电池之间进行转移，并且均衡拓扑结构具有升压斩波电路的特征，能量传递不会因电压差偏小而无法实现均衡。由于本均衡器是以电容为能量传递元件，电感加强进一步促进了电容的充电作用，提高了均衡器的均衡可靠性。

被均衡的两个单体电池，一个单体电池放电，其放电电流连续，另一个单体电池同时被充电，其充电电流也是连续的，均衡时能量是连续传递的，并且均衡时有选择地进行主动均衡，不会产生不需要均衡的电池被实施被动均衡的现象，不仅可以节约能量而且还提高了均衡效率。本方案中均衡电路的电感，开关均比传统均衡器有所减少，而且打破了只能相邻电池之间传递能量的限制，任意两个单体电池只要状态值差偏大，就可以配对成功，触发均衡电路。新型的均衡电路不仅在结构上简单，而且相应的驱动电路也减少。这样可以在动力电池组的任何运行状态下实现一致性管理，提高了动力电池的整体性能。

4 新型均衡器的实现与结果分析

为了证明本研究提出的电池均衡控制器的有效性，搭建了一个由串联电池组（6 节单体电池构成)、供电电源（模拟充电器）、均衡电路板和分析仪表组成的试验平台。电池选用标称容量为4.2Ah，额定电压为 6.4 V 的动力磷酸铁锂电池组，电感选用 0.1 mH，电容选用 200 μF。对 SOC 差异较大的两节单体电池实施均衡，通过分析仪将实时采集的电池在均衡过程中 SOC的变化数据发送到上位机进行存储和分析，通过对电容与 SOC 值低的电池之间的电压差进行分析来观察电容对是否能够有效地实施均衡功能。

在均衡电路工作之前，由检测模块首先对各个单行进行监测，将测得的参数传送给中央控制器。中央控制器根据采集到的参数进行综合评价，并结合电池的容量损耗预测模型预估出的容量损耗值选出最优配对的电池组，每次均衡只能选取一对最优组合。将最优配对组合的SOC差值进行运算，有反馈地调节出一个合理的开关管工作占空比。在均衡过程中，实施放电策略电池的SOC将逐渐降低，而接受充电的电池SOC会随之升高。最后，当两个单体电池的荷电状态达到平衡时，完成一个循环周期。之后，继续寻找下次均衡组合。整个过程如图6所示。

均衡过程中，动力电池 Bi向动力电池 Bj传递能量，图7为一对配对成功的两个单体电池在均衡过程第一阶段时均衡电路中电容两端的电压情况。试验图像显示，电容 C 两端的电压最后维持在 10 V左右，充分证明了在均衡过程中，均衡电路有效地完成了升压作用，加大了均衡电池的充电电压，从而提高了被均衡电池的充电效率，使其能够快速完成均衡过程。

图6 控制流程图

图7 电容电压曲线

图8 电压差值曲线

图8 为均衡过程中阶段 3 时的电容与 Bj电压的差值情况，描述的是单体电池与电容电压之间的差值。在试验过程中，切换的瞬间，电容由于储蓄了足够的电压，而相对有较低电压的 Bj则会接受来自电容的电压而使两者之间的电压差越来越小。

从图中不难发现电容两端的电压全部提供给了被均衡电池，基本实现了无损耗均衡。

图9为 6节电池组在充电均衡过程中 SOC 的变化情况。试验结果表明，通过采用新的均衡控制策略后，各个电池之间都有顺序地进行互相均衡，通过单体电池的反馈信号自动调节均衡器的工作效率，有效降低了单体电池之间的电压差异，从而达到很好的均衡效果。单体电池的SOC值经过均衡后基本一致，新型的均衡器有效地完成了均衡，并且弥补了其它均衡器的不足。但本方案在均衡过程中可能会导致相差不大的电池之间延迟均衡的状态，这一问题还有待进一步研究。

图9 均衡过程中 SOC 状态曲线

5 结论

本文针对串联电池组只能在相邻两个电池间实现能量转移、结构复杂、均衡效率低的问题，在升压斩波电路和 Cuk均衡器的基础上，设计出了一种由电感L作为中间能量传递元件，以电容C作为电池间能量传递元件，可根据SOC与单体电池容量损耗来综合预估新状态值差异程度，从而动态调节单体电池充放电的优先匹配顺序、高均衡效率的新型均衡器，并进行了试验验证。与现有的新型均衡器相比，本文所涉及的均衡器可动态实现电池组中任意一组电池间的能量转移，大大提高了电池组的整体性能，有效解决了电池组容量不均衡的问题，而且设计结构简单，易于控制，在改善电池均衡状态、提高均衡效率、降低损耗方面有一定的实际应用价值。

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作者介绍

责任作者：刘佳庚（1987-），男，辽宁铁岭人。硕士，讲师，主要从事电力电子与电力传动研究。

Te1：024-72230117

E-mai1：15241000023@163.com

Design and Implementation of Dynamic Matching Equalizer for Electric Vehicle Power Battery Packs

LIU Jiageng，ZHAO Meihong
（Liaoning Engineering Vocational College，Tieling 112000，Liaoning，China）

This paper focuses on the scientific issues that for new energy vehicles the battery capacity is not balanced during the charging and discharging processes and that the overall performance of the battery pack goes down. The proposed improvement is based on a boost chopper circuit and the Cuk equalizer and a new equalizer with high efficiency of equalization was designed which can dynamically adjust the priority order of the charge and discharge of a single cell according to the charge state difference. The experimental results show that the improved equalizer can effectively increase the overall performance of the power battery and has a certain practical value in achieving efficient equilibrium.

power battery；equalizer；dynamic matching；balance control；SOC

TM911

：A

10.3969/j.issn.2095-1469.2017.03.05

赵美红（1984-），女（满族），辽宁大连人。博士研究生，讲师，主要从事汽车技术服务与营销研究。

2017-01-03 改稿日期：2017-02-27

辽宁省教育厅科学研究一般项目（L2014589）

参考文献引用格式：

刘佳庚，赵美红 . 一种电动汽车动力电池组动态匹配均衡器的设计与实现［J］.汽车工程学报，2017，7(3)：188-195.

LIU Jiageng，ZHAO Meihong. Design and Imp1ementation of Dynamic Matching Equa1izer for E1ectric Vehic1e Power Battery Packs［J］.Chinese Journa1 of Automotive Engineering，2017，7(3)：188-195.（in Chinese）

Te1：024-72230056

E-mai1：zhaomeihong329@163.com