1、項目：純電動中型公務客車研發及示范動力電池組主動均衡方案 合工大: 安凱: 編 制： 校 對： 校 對： 審 核： 審 核： 批 準： 合肥工業大學2015年11月15日 目 錄1 背景12 均衡變量的選擇22.1 以開路電壓作為均衡變量22.2 以工作電壓作為均衡變量22.3 以SOC作為均衡變量32.4 以剩余可用容量作為均衡指標33 主動均衡方案43.1 基于電容式均衡拓撲結構43.1.1 基于單電容均衡拓撲結構43.1.2 基于多電容均衡拓撲結構53.2 基于電感式均衡電路63.2.1 基于單電感均衡結構63.2.2 基于多電感均衡結構73.3 基于單繞組和多繞組變壓器的均衡電路73.

2、3.1 基于單繞組變壓器均衡結構73.3.2基于多繞組變壓器均衡結構83.4 基于DC/DC變換器式均衡策略93.4.1 基于Buck變換器均衡結構93.4.2基于Buck-Boost變換器均衡結構103.4.3 基于CUK變換器均衡結構104 均衡拓撲結構總結115 均衡策略選擇135.1 最大值均衡法135.2 平均值及差值比較均衡策略135.3 模糊控制法146 動力電池組均衡技術總結141 背景隨著動力電池在電動汽車動力系統中的廣泛應用，逐漸暴露出一系列諸如耐久性、可靠性和安全性等方面的問題。電池成組后單體之間的不一致是引起這一系列問題的主要原因之一。由于電動汽車類型和使用條件限制，對

3、電池組功率、電壓等級和額定容量的要求存在差別，電池組中單體電池數量存在很大的差異。即使參數要求相似，由于電池類型不同，所需的電池數量也存在較大的差別。總體看來，單體數量越多，電池一致性差別越大，對電池組性能的影響也越明顯。車載動力鋰離子電池成組后，電池單體性能的不一致嚴重影響了電池組的使用效果，減少了電池組的使用壽命。造成單體電池問差異的因素主要有以下三方面：（1）電池制作工藝限制，即使同一批次的電池也會出現不一致；（2）電池組中單體電池的自放電率不一致；（3）電池組使用過程中，溫度、放電效率、保護電路對電池組的影響會導致差異的放大。因此均衡系統是車載動力鋰電池組管理系統的關鍵技術。從電池集成

4、和管理方面來看，主要可以從兩個方面來緩解電池不一致帶來的影響：成組前動力電池的分選；成組后基于電池組不一致產生的表現形式和參數的電池均衡技術。然而，成組前電池單體的分選技術在保證電池組均衡能力方面是有限的，其無法消除電池組在使用過程中產生的不均衡。所以，基于電池組不一致的表現形式和參數的電池均衡技術是保證電池組正常工作，延長電池壽命的必要模塊和技術。串聯蓄電池組均衡策略，按照均衡過程中能量的流動和變換形式可以分為被動均衡和主動均衡兩大類。被動均衡策略的典型代表為電阻分流均衡策略，其均衡過程是將串聯蓄電池組中能量較高的單體蓄電池中的能量通過電阻轉化成熱能，最終實現串聯蓄電池組中各單體蓄電池能量的

5、一致。該方法在均衡過程中耗散一定的電池能量，故而現在已經較少使用，本文檔也不再累述。圖1.1 電阻分流的被動均衡策略2 均衡變量的選擇2.1 以開路電壓作為均衡變量目前多數均衡系統以開路電壓作為均衡變量，因為開路電壓為直接觀測量，容易測量，并且開路電壓與SOC之間存在一定的關系，開路電壓達到一致時電池組SOC一致性也較好，而相同充放電電流時SOC與工作電壓也存在類似正相關關系，開路電壓較高的電池，SOC較高，充放電時該電池電壓仍會高于其他電池，因此在電池組處于擱置狀態時以開路電壓作為均衡變量可以在一定程度上改善電池組不一致性狀態。但是以開路電壓作為均衡變量使得均衡系統只能工作于電池組擱置狀態，

6、降低系統工作效率。不同廠商、不同型號的電池OCV-SOC曲線可能會存在差異，故均衡控制過程中某些參數需要重新標定。此外，開路電壓本身變化范圍很小，要求均衡系統采集模塊具有較高的采集精度。2.2 以工作電壓作為均衡變量工作電壓與開路電壓一樣都是可以直接測量的參數，而且工作電壓相比于開路電壓變化范圍更大，采集精度上更容易滿足要求。以工作電壓作為均衡變量的均衡系統工作于電池組充放電階段，由于目前純電動汽車上的動力鋰離子電池組充放電截止條件就是以工作電壓來判定的，以工作電壓作為均衡變量可以保證在不過充過放的前提下盡可能的提高電池組的容量利用率。對于老化程度較深、內阻較大的電池，在非滿放的情況下，以工作

7、電壓一致作為均衡目標可以保證其工作過程中SOC波動范圍小于其他電池，可減緩該電池的老化速度，延長整組電池的使用壽命。以工作電壓作為均衡變量的缺點在于其受干路電流的影響波動幅度特別大，特別是在純電動汽車實際運行工況下，工作電壓可能會出現劇烈波動，使得均衡系統啟閉頻繁，開關損耗增加。在電池SOC較高和較低時工作電壓變化比較劇烈，對均衡系統均衡能力要求較高，而SOC處于中間階段時單體間工作電壓差距可能會很小，需要保證均衡系統的采樣精度。2.3 以SOC作為均衡變量SOC的數學表達式可知，SOC表征當前電池剩余容量占最大可用容量的比例，以SOC作為均衡變量時，可以忽略電池組內單體電池間最大可用容量的差

8、異，使所有單體電池同時達到充放電截止電壓，使得電池組容量得到有效利用。同時，SOC保持一致意味著所有單體均工作于相同的放電深度，避免由于放電深度不同導致的電池老化速度的差異。只有所有單體電池任意時刻SOC值保持一致時，電池組SOC值才能真實反映整個電池組的剩余容量狀態。以SOC作為均衡變量最大的問題在于SOC的估算精度以及實時性問題，在充放電初期SOC差異較小，如果不能識別的話，到后期差異較大時均衡系統壓力就會比較大，甚至無法完成均衡。均衡電流本身也會對SOC估算造成影響，現有的估算方法大多沒有考慮。此外，高精度SOC估算算法一般計算量較大，對電池組內每節電池進行實時估算要求均衡系統具有足夠的

9、運算能力。2.4 以剩余可用容量作為均衡指標與SOC作為均衡指標類似，以當前剩余可用容量作為均衡指標也是從容量角度對電池組進行均衡，同樣能夠避免低容量電池導致的“短板效應”，充分發揮電池組的能力。在組內電池老化程度差異不大的情況下兩者是一致的，如果組內電池老化程度不同，某一時刻SOC達到一致后，由于不同電池SOC變化速率不同，下一時刻又會出現不一致，但若以剩余可用容量為均衡目標，則后續不一致性問題就不會出現。以剩余可用容量作為均衡指標主要的問題在于在線實時估算電池當前最大可用容目前的估算方法大多只能做到離線估算，并且估算精度難以保證。3 主動均衡方案對于鋰電池而言，要改善單體電池之間的不一致性

10、，均衡系統是電池管理系統設計工作的核心。若沒有均衡管理模塊，動力電池組的穩定性就沒有了保證。從均衡子系統的元器件來分，電阻均衡、儲能元器件均衡是埋離子動力電池目前比較常用的均衡方法。當然，所有的均衡子系統從均衡結構的拓撲形式來分有獨立均衡和集中均衡兩種，從均衡的能量回收角度分為主動均衡和被動均衡，從能量流向角度也可以分為單向和雙向均衡。圖3.1 電池均衡電路結構3.1 基于電容式均衡拓撲結構在基于電容式均衡策略的電路拓撲中，最基本的電路拓撲結構有兩種，分別如圖3.2和圖3.3所示；二者的主要差別在于均衡過程中參與均衡的電容數量以及均衡電路的控制方式的不同。3.1.1 基于單電容均衡拓撲結構在圖

11、3.2所示的單電容均衡策略中，只需要一個電容作為能量轉移的載體，其均衡過程還需要電壓檢測電路的參與。其工作流程為：控制中心從串聯蓄電池組中檢測能量過高的單體蓄電池，控制其兩端開關閉合將能量傳遞給電容，電容充電之后將斷開電壓過高的單體電池，閉合電壓過低的單體與電容的連接，電容器給低壓單體充電，經過若干周期進而將電荷轉移至能量過低的單體蓄電池中。該策略結構相對復雜，但是均衡電路體積小，均衡速度快。圖3.2 單電容均衡策略電路3.1.2 基于多電容均衡拓撲結構對于多電容均衡電路，一組電容器在串聯電池組相鄰電池之間傳遞電荷，其工作原理是：所有開關同時動作，在上下觸點之間輪流接通，通過這種簡單的動作，電

12、荷在兩相鄰電池單體之間轉移，最終電荷由高壓單元傳遞到低壓單元，經過開關的反復切換即可實現均衡。所用的單刀雙擲開關可以用一個變壓器禍合的MOSFET裝置來實現，因此其開關頻率可以高達上百KHz，所需平衡電容容量要求較小。理論上該方法不需要單體電池的電壓檢測模塊，但為了避免開關一直處于動作狀態也可以加入電壓檢測單元，在出現單體電壓差異時控制單元發出信號驅動開關的動作。圖3.3 多電容均衡策略電路3.2 基于電感式均衡電路基于電感式均衡策略是以電感作為能量轉移的載體，實現各單體蓄電池之間能量的均衡。按照電感的耦合形式，又可分為單/多電感均衡策略，均衡電路拓撲分別如圖3.4、圖3.5。3.2.1 基于

13、單電感均衡結構單電感式主動均衡中每個單體電池兩端通過開關連通兩條單向路徑，分別連向中間儲能元件電感L的兩端，通過控制開關陣列使得能量能在任意兩節單體之間進行轉移，如圖3.4所示，實現能量的削峰填谷。該方案通過開關陣列選通使得電池組內任意兩節單體之間可以進行能量轉換，加快了均衡速度，減少了均衡過程中的能量損失。但是，由于同一時刻只有兩節單體參與能量轉移，所以開關控制相對復雜，而且單電感式主動均衡的能量轉移效率相較于變壓器式均衡仍然較低。圖3.4 單電感均衡策略電路拓撲3.2.2 基于多電感均衡結構多電感式主動均衡在每相鄰兩節單體電池之間放置一個電感，如圖3.5所示，通過開關通斷時間配合儲能電感實

14、現能量在相鄰兩節單體之間轉移，該均衡方案擴展性好，均衡電流大，但當需要均衡的單體電池相隔較遠時需要經過多次中間傳輸，降低了均衡速度，同時也會增加能量損失。圖3.5 多電感均衡策略電路拓撲3.3 基于單繞組和多繞組變壓器的均衡電路3.3.1 基于單繞組變壓器均衡結構基于單繞組和多繞組變壓器的均衡策略。圖3.6為單繞組變壓器均衡策略電路，為每個單體蓄電池配備一個變壓器和一個整流二極管。當控制中心發出均衡信號時，均衡開關S1以一定頻率開始動作，為初級線圈充電進而激發次級線圈輸出電壓，匝數比將保證輸出電壓是各單體電壓的平均值，并且自動為電壓最低的單體電池充電，保證各單體蓄電池電壓的一致。串聯蓄電池組中

15、的能量將自動在各個單體蓄電池中進行均勻分配，從而完成能量的均衡過程。圖3.6 單繞組變壓器均衡策略電路拓撲3.3.2基于多繞組變壓器均衡結構多繞組變壓器均衡電路一般指反激式多繞組變壓器均衡拓撲電路，工作在DCM(斷續模式)下，主要有單鐵芯和多鐵芯的多繞組變壓器。變壓器式主動均衡通過充電階段的頂部均衡和放電階段的底部均衡防止單體電池過充過放，最終使所有單體電池的能量差異在一定聞值范圍內。該方案能量轉移對象為單體和電池組，因此不涉及相互轉移的問題，只需要判定單體電池的能量與電池組平均能量的差值是否在一定范圍內，若單體電池能量低于電池組平均能量，則控制與電池組相連的變壓器原邊導通，由整組給能量較低的

16、單體補充能量，若單體電池能量高于電池組平均能量，則控制與該單體相連的副邊繞組導通，由單體電池向電池組轉移多余的能量，因此控制策略簡單、容易操作，但是變壓器式主動均衡的擴展性差，單體電池數量改變時變壓器必須重新繞制，而且副邊的一致性難以保證，易出現磁飽和。多磁芯變壓器式主動均衡增加了變壓器式均衡結構的擴展性，每個單體對應一個小變壓器，當單體數量發生變化時，只需要相應地增加變壓器數量，但是該方案需要的變壓器數量較多，成本高，占用空間大且難以布置。圖3.7 多繞組變壓器均衡策略電路拓撲圖3.8 多鐵芯多繞組變壓器均衡電路3.4 基于DC/DC變換器式均衡策略基于DC/DC變換器式均衡策略是指利用DC

17、/DC變換電路，常見的如各式直流變換器，實現串聯蓄電池組中能量的轉移和均衡；其中典型的均衡策略包括基于Buck變換器、Boost變換器、Buck-Boost變換器、Cuk變換器等，其電路拓撲如圖3.9、圖3.10和圖3.11所示。嚴格的說以上四種拓撲結構只是DC/DC變換器設計中的幾種轉換技術，與以上幾種電路結構相比并未用到新的電器元件，相反，在這幾種電路結構中還可能與以上介紹過的電路結構有重復的地方。3.4.1 基于Buck變換器均衡結構Buck變換器屬于降壓型DC/DC變換器結構，其輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流變換器。根據電感電流I是否連續, Buck變換器有3種工作模式：連

18、續導電模式、不連續導電模式和臨界導電模式。連續導電模式為線性系統,控制比較方便、簡單。而不連續導電模式為非線性系統，不好控制。圖3.9 Buck變換器均衡策略電路拓撲3.4.2基于Buck-Boost變換器均衡結構Buck-Boost變換器是升降壓型DC/DC變換器結構，每兩個單體之間形成一個變換器，通過電容或者電感等儲能元件轉移單體能量，實現能量在相鄰單體間單向或者雙向流動。事實上，多電感均衡結構就是Buck-Boost變換器結構組成的升降壓型均衡電路。此方案的基本思路，就是將高電壓單體中的電能取出再進行合理的分配，從而實現均衡。其電路結構相對簡單，應用的器件數目也較少，是一種比較不錯的均衡

19、方案。需要注意的是，當多個單體同時放電再分配時，會出現支路電流疊加的情況，須仔細設計相關參數以保證系統穩定。圖3.10 Buck-Boost均衡策略電路拓撲3.4.3 基于CUK變換器均衡結構CUK變換器又叫Buck-Boost串聯變換器，它是針對Buck-Boost升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動值較大的缺點而提出的一種一種非隔離式單管DC-DC升降壓反極性變換器，BUCK-BOOST變換器一樣，CUK結構也具有升降壓功能，也能工作在電流連續、斷續和臨界連續三種工作方式。Cuk型均衡電路與前者的區別在于在整個均衡周期內，無論開關閉合或者斷開，能量一直通過電容和電感傳遞給相鄰電池。變換器

20、型電路存在的主要問題在于能量只能在相鄰電池間傳遞，如果電池節數較多，則均衡效率將大受影響，另外對開關控制精度要求較高，且元器件較多，特別是Cuk型電路，成本較高。圖3.11 Cuk變換器均衡策略電路拓撲4 均衡拓撲結構總結現有的電池均衡電路很多，在均衡能力和性能上各有不同，在選擇均衡電路的過程中要充分考慮其穩定性和經濟性，并針對不同的工作環境進行選擇。由分析可知，雖然現有的基本均衡技術在均衡領域都具有各自的優勢，但也存在一些未能逾越的技術問題，導致均衡能力不能夠達到要求。基于多繞組變壓器均衡方案N個次級繞組只能對應N個電池單體，單體數目增加則需要重新設計繞制整個變壓器，而且隨著單體數目的增加，

21、磁性器件的存在不僅增大成本和均衡器的體積，而且變壓器的漏感會導致均衡偏差的出現，尤其變壓器的設計目前沒有一種精確的設計方法，難以實現多輸出繞組的精確匹配，另外同軸鐵芯結構導致均衡器可移植性變差。基于多電容和多電阻的均衡方案也存在一定的為問題，隔離型均衡器隨著單體數量的增加，磁性器件會造成體積過大，由于能量只能在相鄰單體之間傳遞，因此當高電壓單體和低電壓單體之間距離較遠時，能量逐級傳遞，不僅大大增加了均衡時間，尤其在實際使用中，充電時間要盡可能短，這種方案很難達到均衡效果。基于多電容和多電感均衡結構是一種不需要依賴于電壓檢測精度的均衡方案，但是開關電容網絡的布線復雜，如果利用電容的優勢通過開關控

22、制實現均衡，會帶來軟件編寫中復雜的控制策略難以準確實現的難題；最重要是關斷時電流回路中巨大的尖峰電流和浪涌電流，給電路中的電容器帶來巨大的沖擊，縮短電容器壽命甚至損壞電容器；另外，雖然均衡原理決定了電壓檢測電路可以省略，在一定程度上減小了工作量和誤差率，但是由于均衡期間缺乏電池狀態中電壓指標的監控，在電池發生異常時沒有了故障警報和處理機制，安全性下降。表4.1 均衡拓撲結構對比方案優點缺點單電容型開關較少，均衡速率快需電壓檢測模塊從而達到快速均衡多電容均衡無需電壓檢測，控制策略簡單相鄰單體間能力轉換，均衡速度慢，能量損失較多單電感型結構簡單，均衡速度快開關瞬間有能量損失，開關頻率高，需濾波電容

23、多電感型可實現任意兩單體的能量傳遞，實現充電均衡和靜態均衡，擴展性好，均衡電流大開關瞬間有較大能量損失，開關頻率高，需濾波電容，當需要均衡的單體電池相隔較遠時需經多次中間傳輸，降低了均衡速度，增加能量損失單繞組變壓器均衡速度快，低磁損失控制復雜，成本高，磁芯和繞組根據電池組電壓和單體電壓而定，通用性差多繞組變壓器均衡速度快效率高，可用于充電和放電是的均衡電路設計難度大，結構復雜，磁芯和繞組根據電池組電壓和單體電壓而定，通用性差Buck變換器直流電壓輸出穩定，結構簡單輸出電壓等于或小于輸入電壓，僅用于單向均衡Buck-Boost拓撲均衡速度快，便于模塊化設計，雙向升降壓均衡，對于電池數量多的系統

24、易于實施成本較高，需智能控制，能量損耗較大，結構復雜Cuk變換器均衡能量可雙向流動，均衡速度快，效率較高控制復雜，電壓檢測精度要求高5 均衡策略選擇適當的均衡策略，是對硬件電路設計的補償。依據目前均衡電路拓撲結構的原理，目前主要有三種均衡策略。5.1 最大值均衡法這種方法以串聯電池組中單體電壓值最高的單體為均衡對象，通過開關陣列選通電壓最高的單體對電壓最低的單體放電，直至達到均衡設定指標。設Vmax為串聯電池組中電壓最高的單體電壓值，Vmin為串聯電池組中電壓最低的單體電壓。為均衡開啟閥值，若Vmax-Vmin>（根據相關國家標準，單體電壓差值超過36mV視為不均衡）則將電壓最高的電池能

25、量釋放給串聯電池組或者電壓最低的單體，直到Vmax-Vmin，則均衡終止。此方案在電池組中大多數單體均衡度較高，部分單體電壓過高或過低的情況下能夠快速均衡，而在電池組內單體間一致性差時，會導致控制邏輯混亂，反而降低系統的均衡效率。5.2 平均值及差值比較均衡策略這種方法適合以串聯電池組中所有單體電壓的平均值作為參考對象，通過比較單體的電壓值Vi與電池組的平均電壓值Vavg，進而對電壓較高的單體放電；或者比較相鄰單體的電壓Vi與Vi+1，對電壓較高的單體進行放電。判定是否均衡有如下兩個標準公式：v=i=1n(Vi-Vavg)21v=maxVi-Vj2 ,（i , j=1,2,3且ij）其中， V

26、i為單體的電壓值，Vavg為電池組的平均電壓值，1與2為給定正數。1決定了均衡策略對控制精度的要求，2則是規定了單體之間的最大壓差。這兩個參數分別決定了均衡系統的均衡精度和均衡效果。此方案軟件控制策略方便實現，但是在相鄰單體之間轉移的硬件拓撲結構下，若單體之間距離較遠，則需要通過多個單體的傳遞，造成能量的浪費和熱失衡的狀況。5.3 模糊控制策略鋰離子電池的模型建立是一個非常復雜的非線性過程，其容量隨充電循環次數逐漸下降，充放電特性隨著充放電倍率和環境溫度發生較大的變化，其SOC與內阻會隨著使用時間的增加發生不規律的變化。而為了保證動力系統中上百個單體的一致性，對其高精度提出了越來越高的要求，因此不可能搭建一個精確模型。而智能型控制理論模糊邏輯控制(Fuzzy Logic Control, FLC)非常適合這樣的非線性系統。其實現方法如圖5.1所示。主要包括以下三個步驟：（a）根據隸屬函數和模糊規則離線計算查詢表(Matlab/fuzzy ) ；（b）將模糊控制查詢表存入單片機；（c）檢測單體狀態，查表確定PWM以驅動均衡電路。圖5.1 模糊控制策略模糊邏輯控制具有魯棒性強、實時性好、控制參數簡單的優勢，可以動態地調整均衡電流，是目前數字控制的發展方向。