电池均衡控制（精选7篇）
电池均衡控制 篇1
1引言
为了达到一定的电压和功率,电动车需要大量锂电池串联成组使用。由于技术及工艺限制,在制造过程中,各单体电池初始容量、电压、内阻等电池特性不可能完全相同,导致在充放电过程中,性能较差的电池会过早的达到极限电压,影响电池组的整组可用容量[1]。另一方面,锂电池的抗滥用能力较差,加之目前锂电池在电动车上的应用时间并不长,应用技术还不完善,使锂电池滥用几率大大增加, 以致影响整组电池的循环寿命。严重的还会出现“反极”现象,大大降低了电动汽车的动力性能。因此在电动车工作过程中,电池间的一致性是决定电池寿命的一个非常重要的因素,为减小这种不一致性对锂电池组的影响,在电池组的充放电过程中进行有效的均衡控制具有重要意义。
2常用均衡方案分析
目前,已经应用或者已经研究过的均衡方案主要有以下几种:①涓流充电方案:充电末期的小电流充电;②放电均衡方案:每次充电前将每个单体电池分别通过同样的负载放电至同一水平,再进行恒流充电;③电阻并联均衡方案:通过各单体上并联的电阻消耗过多的能量;④电感均衡方案:通过电感作为储能元件转移能量;⑤电容均衡方案:利用电容的储能特性,进行电池间的能量转移;⑥变压器集中均衡:通过变压器将整组电池的能量分别对各单体进行能量的转移[2]。
以上的均衡方案确实可以起到一定的均衡作用,但是从实现的成本、难度以及实际的使用效果来看,仍然很不理想。涓流充电均衡时仍可能存在过充的问题;电阻均衡方案中会产生能量损耗,同时产生的大量的热能难以管理,而且在电池容量较大的情况下,所需电阻的功率较大,不易实现;电感均衡方案所需均衡的时间长,不符合电池快速充电的要求;电容均衡方案中开关的频繁切换也会消耗很大的能量,且均衡电流较小,均衡时间很长;变压器均衡方案中过多的副边给此类变压器的设计和实现带来很大的难度[2]。
同时,上述方案的均衡控制都与电压检测精度密切相关,如果不能保证较高的电压检测精度,则均衡效果很难保证,而单体电池电压的精确测量也是目前使用过程中的难点。另外,根据锂电池的充放电特性,在锂电池的工作曲线的中间阶段,即锂电池的充放电平台相当平稳,而且所占比重很大。因此,这个阶段即使电池间出现较大的SOC差异,在端电压上也表现不出来,这也影响了上述均衡方案的使用效果。
3 充电均衡控制方案
从锂电池的不一致性分析和充放电过程可知,电池组的容量和寿命的缩短主要是由电池的充电不均衡造成的[3]。电池组使用初期,单体电池间容量存在一定的差异,整组充电时容量小的电池会首先被充满,此时电池充电并未结束,小容量的电池则会被过充,容量减小。放电时,小容量电池又会首先放完电,由于电池组仍在放电,小容量电池会过放,容量进一步减小。在这样的使用过程中,容量小的电池一直处于恶性循环中,恶化到一定程度,就会严重影响整组的性能。因此,如果在电池组的使用初期,在充电过程中实现充电电压的均衡,同时设置单体电池的放电电压下限,就能有效地防止电池组的过充过放问题,从而延长电池的寿命。
通过上述分析,本文采用充电均衡控制方式,即采用主、辅充电结合的均衡模块实现充电控制。均衡电路的原理框图如图1所示。
其工作过程是:充电开始时,主充电机对电池组进行大电流充电,使电池能量快速得到补充;当电池组中的某节单体电池电压已达到设定上限电压时,主充电机停止工作,均衡模块进入均衡模式,进入分块补充充电阶段。在这种状态下,均衡模块根据单体电池电压分布情况进行充电策略的调整,将电池组实时地分块,通过开关阵列切换快速地找到当前最大的块,即连续串联未充满的单体电池数量最多的组块,然后通过主充电机与均衡模块的配合,进行补充充电,如此不断寻找下去,直到所有的电池都充满为止,系统停止工作。
4均衡电路的实现
均衡电路的核心是开关网络电路[5] ,而开关网络电路的核心是电子开关,电子开关的选用应该要遵循实用性强的原则。目前,几种主要的电子开关比较如表1所示[6]。
本文选用MOSFET作为电子开关的主要元件。功率MOSFET多为增强型,分为NMOS和PMOS两种不同类型,本文中的每个开关单元都由两个电子开关组成,因此场效应管可有四种不同的形式,分别为NMOS/NMOS、PMOS/PMOS、NMOS/PMOS、PMOS/NMOS这四种组合。
因为原理上的差别,目前的技术条件下,PMOS较NMOS难以实现[4],对于同等级的MOSFET,PMOS成本较高,因此本文选用双NMOS的方案。
MOSFET作为开关,需要得到足够的栅—源电压才能导通。根据MOSFET连接方式的不同,用于提供其栅—源电压的方式将有所区别,源极和控制板连接的MOSFET,其栅极驱动电位对应控制电源两端的电位;源极电池一端相连的MOSFET,其驱动电位对应所连接的单体电池的电位。图2通过光耦实现了这两种不同情况下的栅极驱动。
(a)栅极驱动电位对应主控电流源电位的模式(b)栅极驱动电位对应电池单体电位的模式
这一电路通过光电转换的形式将电路的功率部分和数字部分分开,并通过控制信号COUT1和COUT2分别控制开关单元中的两个开关。图2中的a端均表示的是与单体电池的相连端。在图2(b)的实现中,引入了一个具有双向模拟开关特性的传输门TG[5],用以将控制电路的地电位耦合到MOSFET的源极上。这样的话,就可以将原本需要在电池单体电位上叠加的电压转化到在控制电路的地电位上叠加。
基于以上的设计,均衡模块的控制电路的地电位必须相对于组间单体电池地电位浮动。因此一个DC—DC隔离型电源将被引入系统中,为开关单元提供驱动电源,本模块中的开关单元采用了NMOS/NMOS的结构,其栅极驱动电位、分别由主控电流源和电池单体决定。所以,电流源提供的驱动电压被连入开关单元的端,而端由耦合后的正电压来提供。如图3所示,将每个开关单元的地电位采用相同的电阻R连接到其对应的单体之上,以适应相邻单体间的电位差异,从而使多个开关单元隔离耦合后的地电位只有一点。对一个能连接n个单体的均衡模块,已知其中单体间的电位分别为,在没有任何一个开关单元打开的情况下,其地电位满足式(1):
undefined (1)
随着开关单元的打开,地电位也会由其中的传输门连接到u0～un之间的各点上。这样一来,会使每个开关单元的单体连接端a相对于地电位的电压VP3发生改变:
VP3=uP3-uv0 (2)
如认为每个单体两端的电位差近似都为U,则有ui=u0+iU。对应第k个开关单元,若此时地电位被连接在第m个单体之上,则VP3可表示为:
5均衡控制算法
对于上述的均衡硬件电路,均衡效果完全取决于控制算法的优劣。因此,均衡控制算法的设计目标就是利用硬件电路的特点,尽可能地让电池组中每个单体电池都能均衡地充满[6]。具体的控制流程为:在主充电机充电的过程中,一旦检测到电池组中有一个单体电池首次达到上限电压,则记下该电池的编号,并停止主充电机的工作,然后通过对未充满的电池进行分块,编号连续且均未到达过上限电压的电池分为一块,通过对每块中的电池数量的计算,找出数量最多的组块,将主充电机连到该块两端进行充电,当再次检测到有单体电池首次达到上限电压,重复之前的操作,如此循环下去,直到电池组中的所有单体电池都达到过上限电压为止,说明充电完成。程序控制流程图如图4所示。
图中的表示电池组中首次达到上限电压的单体电池的电压, 表示单体电池的上限电压,n表示达到过上限电压的电池数,表示整个电池组的正极开关,表示整个电池组的负极开关,表示最大组块的正极开关,表示最大组块的负极开关,N表示串联在电池组中的单体电池数。
6结语
本文提出的均衡方案的优点是在保证充电速度的同时,又使每节单体电池在充电过程结束后既不会欠压也不会过充,且电压保持均衡;充电过程中的能量损耗比较少;本方案也具有较好的扩展性,可根据电池数量的增减灵活地调整均衡模块的数量,相信随着新的电子开关的出现[6],均衡方案将会更加灵活高效。
摘要：文中在分析动力型锂电池组不一致性形成及扩大原因和比较研究现有电池组均衡方案的基础上,提出了一种新的充电均衡控制方案,给出了均衡电路实现方法和控制算法。该均衡电路以功率场效应管构成的新型开关阵列为核心,试验表明:新方案对提高锂电池组充电效率,减小组内单体电池个体差异,提高电池组动力性能和延长锂电池组使用寿命具有较好的效果。
关键词：锂电池组,不一致性,开关阵列
参考文献
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电池均衡控制 篇2
1.研究背景
随着社会的发展与进步, 节能和环保已成为人们普遍关注的问题。随着电动汽车的各项技术不断进步和完善, 现阶段的电动汽车技术方面便进入了瓶颈阶段。蓄电池串联充放电不一致的问题便是制约电动汽车技术发展的瓶颈之一。被串联的各个蓄电池在其充放电过程中的节奏存在个体差异, 导致某些蓄电池的使用寿命较短, 而大大缩短串联电池组的整体使用寿命, 甚至出现重大的安全事故, 虽然不恰当地“促进”了电动汽车的更新换代, 但是也提高了电动汽车的成本费用。当下, 国内外对于电动汽车电池组充电均衡问题的研究较多, 放电过程的均衡研究相对较少, 本文在现阶段充放电均衡问题研究的基础上, 进行分流均衡的充放电方案的尝试与研究。
2.内容及意义
(1) 内容
本文进行的电池组串联状态下的充放电研究采用铅酸蓄电池, 此选择有其优点:首先, 铅酸蓄电池各项技术成熟, 成本低;其次本文认为铅酸蓄电池提高的空间比较可观。实验内容为:通过对试验过程中的实验数据进行统计, 建立电池组充放电的模型, 将模型按照充放电均衡控制原则进行模拟试验, 最终得到较为适合的充放电均衡点。
(2) 意义
电动汽车的普及具有深远意义, 电动车能源管理问题已是制约其普及应用的关键技术之一, 电动汽车串联电池组充放电均衡问题就显得尤为重要, 急待解决, 还有就是均衡控制系统芯片SOC的开发, 直接制约着电动汽车的开发成本的降低。国内外对电动汽车电池组的充电均衡问题已有较长时间的研究, 而且已取得一定的研究成果, 对于电动汽车电池组放电均衡问题的研究还偏少, 存在的问题也较多, 本文将电池组的放电均衡问题与充电均衡问题相结合, 探究其整体的均衡控制方法及策略, 对于降低电动汽车的制造成本和电池使用寿命的延长有着重要意义。
二、铅酸蓄电池工作原理及充放电特征
1.工作原理
铅酸蓄电池是利用二氧化铅 (正、负电极) 和硫酸 (电解液) 之间可逆的氧化还原反应产生负离子 (e) 的过程来完成供电的, 其总反应化学式为:
充电过程中, 硫酸铅在电池的两极分别发生还原反应, 生成二氧化铅和铅, 电解液中的硫酸浓度上升;放电过程中, 硫酸铅在电池的两极 (正极的二氧化铅和负极的铅) 分别发生氧化反应, 生成硫酸铅, 电解液中的硫酸浓度下降。正负两极的反应化学式分别为:
2.充放电基本特征
(1) 铅酸蓄电池充电的特征:
充电初期, 电极极板内部活性物质孔隙内生成的硫酸浓度急速上升, 扩散速度赶不上生成的速度, 因此电池的电势升高, 此时电极极板的活性物质发生还原反应, 生成二氧化铅和海绵状铅, 在端电压变化曲线中的表现就是曲线的曲率较大。
充电中期, 电势增高幅度减缓。
充电后期, 由于蓄电池内的活性物质基本反映完全, 端电压上升速度缓慢, 最终区域平缓。在到达平缓段时, 应及时停止充电, 若在充电完成后未及时停止充电, 尤其是使用电流较大的高速率充电器进行充电时, 电池组内部的温度和压力就会急速升高, 对电池内部造成损坏, 严重时会出现电池爆炸的危险。
(2) 放电过程与充电过程的原理类似, 相当于是充电过程的逆过程, 不再单独叙述其过程。
三、充放电均衡控制思路
电动汽车动力是由多个电池单体通过串联的方式连接而成, 电池组的各个组成单体很难保证各项参数一致, 在充放电的过程中就会出现个体差异, 因为它们之间是串联的关系, 充电和放电过程中的电流是相同的, 所以, 在电池组整体进行充电放电过程中, 各单体之间的充电和放电总时间会存在差异, 采用统一的充电和放电时间, 个别单体就会出现充电未完成而断电或充电已完成仍在继续充电的现象 (放电过程亦是如此) , 而且会随着充放电的次数的增加, 个体差异增大。这种现象严重影响电池组的整体使用寿命, 若能够通过恰当的措施, 通过改变电池组各单体的充放电电流或其他因素, 将其充放电时间进行统一, 便能很好地解决充放电总时间不一致的情况, 有效地延长电池组的使用寿命。
四、充放电模型及均衡点的确定
1.模型输入输出参数的确定
本文在前人测定实验数据的基础上进行深度研究探索, 从仪表监测铅酸蓄电池充放电过程中的各个参数中选择合适的参数为建模的输入和输出参数。铅酸蓄电池在充放电过程中的电流是比较稳定的, 可以作为输入参数。在实际可以测量出的数据中, 电池的端电压和温度最能贴切地反映出电池充放电的状态, 但是若采用温度为输出参数, 对于电池组周边环境的温度就要加以控制, 使之维持在一个恒温的环境中, 实际操作难度表较大, 故选用充放电过程中的端电压作为输出参数。
2.充放电模型的建立
电动汽车电池组充放电过程相似, 在充电过程中, 随着充电的进行, 对于铅酸蓄电池来讲, 充电电流逐渐下降对于电池的使用寿命延长有利, 因此, 选用型号为6-DA-150的电池, 将充电电流分别设置成C、C/2、C/4的3个充电阶段, 结合以自适应神经模糊推理系统建立蓄电池的充放电模型,
3.充放电均衡点的确定
(1) 充电均衡控制点的确定
(a) 充电时, 将蓄电池的电压浮动区间设置为14.7V~10.6V。
(b) 将整个充电过程设置为3个阶段, 即C、C/2、C/4 (C为充电电流) 。
应用已经建立好的充放电模型, 进行仿真实验, 进而确定蓄电池组充电均衡点。
实验过程测得数据表1。
表1数据显示:随着A值的变化, 充电过程的总时间会随之变化, 而且容量小的的电池组充电总时间会随着A值的增大而缩短, 容量大的电池组的充电总时间会随着A值的增大而延长。在A值为0.085V时, 容量大小的两组电池充电总时间基本一致, 可得出结论, 充电时A值取0.085, 可以保证两组不同容量的电池组充电总时间一样。
因充放电过程原理近似, 不做过多说明。
结语
本文进行的电动汽车充电和放电系统的均衡控制方法, 其实验原型是采用铅酸电池组进行的, 所以研究和设计成果适用于铅酸串联电池组, 电动汽车在应用本文的设计及控制系统, 有效地避免了传统电池组因充放电时间不一致和充放电电压不稳等现象, 保证了电池组的使用寿命, 电池组的充放电均衡问题能够得到基本解决, 可普遍应用到电池组的设计及控制系统。
摘要：电动汽车的应用普及对现阶段的节能环保治理有重要意义, 电池组的使用寿命以及性能严重制约着电动汽车的普及应用, 本文在采纳前人部分实验数据的基础上, 将电池组充电均衡控制和放电均衡控制结合起来, 测试出合适的充放电均衡点, 应用于电动汽车电池组, 能有效延长电池组使用寿命, 降低电动汽车的生产成本。
关键词：电动汽车,串联电池组,充电放电,平衡控制点
参考文献
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电池均衡控制 篇3
面临能源和环境的压力, 蓄电池已经广泛地应用到了生产生活的各个领域。对于同规格、同型号的蓄电池来说, 由于制造工艺的水平限制, 电池单体的不一致问题是不可避免的, 性能不均衡的电池成组使用时会出现过充、过放、超温及过流现象, 会严重影响电池的使用寿命, 甚至造成安全隐患。所以对蓄电池实施有效的管理, 确保其使用安全, 延长使用寿命, 提高电池使用效率有着极其重要的意义。本文设计的蓄电池均衡充电系统有效地克服了电池不一致性对电池使用寿命造成的不良影响。
1 蓄电池均衡充电系统方案设计
图1为蓄电池均衡充电系统的结构框图。该系统主要包括充电模块、蓄电池组、旁路开关、检测模块和均衡管理控制器。
充电模块可根据均衡管理控制器发送的指令来选择当前合理的充电方法对电池进行充电, 从而延长蓄电池的使用寿命。蓄电池组包括n个蓄电池单体, 可根据实际需要选择充电电池的个数。检测模块包括电池状态采集系统和电池保护系统两部分, 电池状态采集系统能采集单体电池的电压、电流、温度等信息, 同时把采集到的数据传输给均衡管理控制器。当检测到单体电压达到设定值时, 则继电电路工作, 控制旁路开关闭合, 及时把已充满的电池旁路掉, 有效防止了过充。电池保护系统保证在充放电过程中所有单体电池不过充、不过放和不过温, 若出现上述状况则保护电路动作, 把故障电池及时切除, 同时启动报警电路。均衡管理控制器可根据检测模块传来的数据计算并判断出当前电池的状态, 同时发指令给充电模块选择合理的充电策略。
2 检测模块硬件设计
图2为检测模块的结构框图。检测模块中含有数据采集模块、报警电路、继电器控制电路和保护电路。
2.1 电压采集模块
单体电池的端电压是实现均衡充电, 防止过充、过放以及运行状态评估的一个主要依据, 所以本系统中有一个合理的单电池端电压的测量方法。采集电压时, A/D采用高精度4位双积分芯片TCL7135, 电压转换精度为0.1 mV, 量程为0V~5V, 转换时间为40ms。为了保护电压采集电路, 在单体电池电压输入端和电压跟随器输出端接A/D保护电路, 同时增加滤波电路用于过滤干扰信号, 可有效抑制尖峰噪声。
2.2 电流采集模块
本文采用LEM公司LTSR25-NP电流传感器来采集单体电池的动态电流。该器件是基于霍尔效应的带补偿的闭环多量程电流传感器。该传感器具有非常高的精度、出色的线性度和最佳的反应时间, 无插入损耗, 电流过载能力较好, 其测量精度为0.2A, 额定电流IPN=25A, 最高可测量电流IPmax=80A, 能很好地满足系统设计的要求。该电流传感器可把测得的电流转换为0V~5V的电压信号, 该信号就作为A/D转换器的输入信号, 通过A/D转换则可知单体电池当前电流的大小。LTSR25-NP电流传感器工作特性曲线如图3所示。其中, VREF为参考电压, 默认为2.5V, IP为被测量的电流。
2.3 温度采集模块
本系统中温度采集是采用美国Dallas半导体公司的DS620数字温度传感器来实现的。该芯片能提供低电压 (1.7 V~5.3 V) 温度测量, 测量精度为±0.5℃, 器件工作温度范围为-55℃~+125℃, 温度测量时无需外部元件, 温度-数字信号转换时间达ms级。该器件的性能完全能满足系统对温度测量的要求, 文中通过SPCE061A的IOA2及IOA3接口与DS620温度传感器通信。
3 检测模块软件设计
检测模块软件流程图见图4。系统上电后, 首先进行初始化, 然后电压采集模块、电流采集模块和温度采集模块分别采集相应的参数, 并通过A/D转换器变换成数字信号, 此时中央处理器MCU根据采集到的参数判断单体电池是否出现过压、过流或过温等现象。如果上述现象出现则启动保护电路和报警电路, 同时把当前信息发送至均衡管理控制器。如果单体电池正常充电, 当检测到电池充满时, 则闭合旁路开关, 切除已经充满的单体电池, 防止电池过充, 同时把相关数据上报给均衡管理控制器。
4 均衡管理控制器软件设计
均衡管理控制器软件流程图见图5。系统初始化后, 请求与各检测模块通信读取各单体电池的参数, 根据读取的参数计算并判断单体电池的状态, 然后发送指令给充电模块, 充电模块根据要求及时切换充电模式。
5 结束语
本文所述的蓄电池均衡充电系统能实时检测各单体电池的电压、电流和温度;通过计算并判断电池的状态;能及时切换不同的充电控制模式;能防止电池过充, 达到均衡充电的目的。实验证明, 使用本系统能有效地克服电池不一致性对电池使用寿命造成的不良影响, 提高了电池的使用效率。
参考文献
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电池均衡控制 篇4
电动汽车锂离子电池组的充放电状态各自采取不同的均衡策略, 且各具特色[1,2,3,4,5]。对均衡策略的深入分析有助于促进锂离子电池组研发企业的发展, 使锂离子电池在各电器中具有更加良好的使用体验, 服务于民。下面就围绕这两种均衡策略进行论述。
1 均衡器拓扑电路及均衡策略
1.1 均衡器拓扑电路
均衡器拓扑电路如图1所示。可以看出, 电路由A组开关、B组开关、电感器L、功率开关M、电压源E和续流二级股D组成。其中A组开关、B组开关和功率开关M都是金属—氧化物—半导体场效应晶体管 (MOSFET) , 电压源E是外部蓄电池。为防止电池出现短路现象影响正常使用, 在A组开关和B组开关上均串联了二极管。均衡器拓扑电路在使用过程中, 根据电池数目和电流大小选择金属—氧化物—半导体 (MOS) 开关, 并且为了降低开关能量的损耗, 通常选择电阻比较小的MOS开关进行管理。在二极管的选择方面, 尽量选择电阻比较小的肖特基二极管。
1.2 均衡策略
如果在均衡电路中使用的储能元件和耗能元件都不同, 那么组成均衡器的是开关电阻元件和电感元件。开关电阻元件中均衡电流非常小, 大约在100~200 m A之间, 并且在电阻器上安装散热装置;而电感元件则是通过在电感器中产生的电流变化均衡电池组中的电流, 均衡电流具有很强的可控性, 在应用过程中, 随着电池组单体电池电能流向的不同, 均衡策略通常可分为以下几种:
第一种, 电池在充电过程中, 荷电状态中能量最高 (即SOC值最高) 的单体电池处于均衡放电的状态, 其中产生的电能有两种去向, 一是被电阻消耗掉, 二是返回到电池中, 这就使得这类均衡策略属于单相传递, 在这一过程中只能通过单体电池的放电供整个电路消耗;
第二种, 也是在电池充电过程中, 电池组中的能量只在相邻的电池中传递, 从而实现对单体电池进行多次充电。这种均衡策略的局限性是大大降低了电池的使用寿命, 同时电路的消耗也较大;
第三种, 电池在放电过程中, 对电池组中SOC值最低的单体电池进行充电。和第一种充电过程有一定的相似性, 也属于一种单向均衡策略。
2 均衡器工作原理及特点
2.1 均衡放电控制策略和工作原理
如果电动汽车锂离子电池组需要充电, 此时电池组中能量最高的单体电池开始放电, 这些电能被转移到均衡器中存储起来, 以便电池组电能耗尽时利用这些能量对电池组进行充电, 从而满足持续供电的需要。具体工作原理和控制过程分别如图2和图3所示。
如图2所示, 若Cell1的SOC值最大, 放电开关A2和B1连通后, Cell1向电池组中充电。一旦A2闭合, 均衡器通过回路②把电感中的能量储存起来, 均衡时对B1进行脉冲宽度调制 (PWM) , 保证A2始终处于通电状态。
从图3 (a) 可以看出, 均衡电路属于Buck斩波电路, 其中U为该电池正常运行时的电源。电池组在均衡策略中, 均衡电路通常有两种工作模式:一是电流连续模式, 二是电流断续模式。开关的驱动信息号和均衡电流波形如图3 (b) 所示, 通过调节均衡器中的占空比, 就可以调节均衡电流的大小。
2.2 均衡充电控制策略和工作原理
电动汽车锂离子电池组在放电或静置时, 电池组中SOC值最低的单体电池受到充电, 其能量主要来自于均衡器。也就是说, 电池组中SOC值最高的单体电池在放电过程中的能量, 以均衡器为中介, 供应给SOC值最低的单体电池, 使其充电。静置时, 能量弱的电池也单独受到能量补充, 从而提高整个电池组的储能。在此均衡电路中应用的也是Buck斩波电路。
2.3 均衡策略特点总结
每个电动汽车锂离子电池组充放电均衡器包含了很多个单体电池的均衡模块。通过章节2.1和2.2的论述, 总结这些均衡模块具有以下三个特点:
首先, 该电路中的开关数目和单体电池有很大联系, 即
其中, m表示开关数目, n表示单体电池个数;
其次, 电池在充电过程中, 电池组中能量最强的单体电池向均衡器放电;
最后, 电池在放电或者静置过程中, 均衡器对电池组中能量最弱的单体电池进行充电。
3 结束语
综上所述, 电动汽车锂离子电池组充放电均衡策略, 是以电感为储能原件, 充电时能量最强的单体电池放电为原则的。均衡电路可控性和能量转换效率大大提高。在前人工作的基础上, 首先探究了均衡器拓扑电路及均衡策略, 其次分析了均衡器工作原理及特点, 希望对所有锂离子电池组研发机构在充放电均衡策略上的研究有引领作用。
参考文献
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电池均衡控制 篇5
本文设计的锂电池组均衡模块, 以反激变换器为主电路, 以锂电池组分散度为均衡依据实现锂电池组间的均衡。
1 锂电池均衡控制电路
1.2 软件设计及原理。 锂电池组均衡选择由MCU来控制, 图1 为软件程序流程图。 首先由数据采集单元将采集的数据传输给MCU, MCU根据给定的公式计算出各单体电池的SOC及 ε 的值, 再判断是否ε>2%, 如果 ε 小于2%, 说明不需要均衡;如果 ε>2%, 需要再判断是否2%<ε<8%, 如在此范围内, MCU根据采集得到的数据计算分析找出锂电池组间剩余能量最高的单体电池作为均衡模块的输入端, 剩余能量最低的单体电池作为均衡模块的输出端, 进行均衡充放电; 如果ε>8%, 首先会尝试均衡修复, 如在30 分钟内锂电池组分散度 ε<8%, 则继续进行之前的判断, 如果30 分钟内锂电池组分散度 ε>8%, 说明不可修复, 则LCD显示锂电池组需要检修, 如个别锂电池损坏等, 并根据检修采取相应措施。
图2 为均衡模块的选择电路, 根据MCU计算的数值选择需要均衡的锂电池。
2 均衡电路硬件设计及原理
本文采用的均衡主电路是由TI公司的TPS55010 隔离式DC/DC转换器及外围电路组成的。 均衡电路原理图如图3 所示。
具体均衡原理如下:为方便分析, 将图4 简化为图4。 当开关SHS导通、SLS关断时, 此时最高SOC锂电池给CPRI、LPRI充电, 变压器一次侧电压为上正下负, 二极管D1反向截止, 负载电流由输出电容CO提供;当开关SLS导通、SHS断开时, 在SLS导通前期, 由于电感LPRI上的能量仍然高, 会继续给CPRI充电, 此时变压器一次侧电压为上正下负, 二极管D1仍然反向截止, 随着电感LPRI上的电流逐渐下降到零, 过后由CPRI经电感LPRI与SLS回路反向放电, 此时变压器一次侧电压为上负下正, 二极管D1导通, 给输出电容CO充电和最低SOC锂电池均衡充电。
结束语
根据TI公司的TPS55010 变压器驱动器设计的隔离型均衡电路, 可以为磷酸铁锂电池组提供相互均衡, 同时利用变压器隔离解决了均衡时串联锂电池组相邻电池电位差导致的短路问题。 由于是实时监测, 均衡响应快、均衡效率较高。
参考文献
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电池均衡控制 篇6
传统能源的日益匮乏和环境的日趋恶化,极大促进了新能源的发展,其发电规模也快速攀升[1]。 以风能、太阳能等自然资源为基础的可再生能源发电具有波动性、间歇性和不可准确预测性,其大规模并网运行会给电网的安全稳定运行带来显著影响[2]。储能技术被认为可在很大程度上解决新能源发电并网带来的问题,同时其将贯穿于电力系统发电、输电、配电和用电各个环节,可以有效缓解高峰负荷供电需求,提高现有电网设备的利用率和电网的运行效率;可以有效应对电网故障的发生,并且提高电能质量和用电效率,使间歇性和低密度的可再生清洁能源得以更有效的利用[1]。
对比各种储能技术,电池储能系统安装灵活、建设周期短,是现阶段较适合于工程应用的技术。在多种电池储能技术中,锂电池储能由于具有能量密度高、循环寿命长、效率高等优势,国内外已有较成功的应用[2-4]。初始投资高是制约锂离子电池储能在电网中规模化应用的重要因素之一,而锂离子电池的价格占据了电池储能系统成本的很大部分。随着国内电动汽车的推广和应用,未来几年将有大批车用动力锂离子电池达到使用寿命而被淘汰[5]。车用淘汰锂离子电池通过梯次利用于储能系统,一方面能延长电池使用的全周期寿命,另一方面也有助于降低电池储能系统的初始成本,对于推动电池储能系统在电力系统领域的大规模应用具有重要的意义。
兆瓦级储能电站中,电池单体数量高达几万节, 需要通过串并联成组来满足储能系统的电压等级和容量需求,而电池不一致性的存在,将不可避免导致充放电不均衡现象,长期运行将大大降低电池储能系统的可靠性和安全性[3]。目前,针对这一问题的研究主要集中在储能系统的功率变换系统(PCS)拓扑及其充放电均衡控制策略等方面[2，6-7],并未对大容量锂离子电池储能系统内部电池组的均衡控制策略进行深入研究。本文以北京奥运会纯电动大巴车用淘汰锰酸锂电池为研究对象,在研究梯次利用电池容量和内阻特性的基础上,结合电池不一致性的评价方法,分析基于电池组容量利用率的均衡判据。 针对电池储能系统削峰填谷的应用特点,提出以电池组容量利用最大化为目标的主动均衡控制策略, 最后,设计了电池组充电均衡电路并搭建电池组均衡测试平台进行实验,验证了本文提出的均衡策略的效果。
1梯次利用电池容量内阻特性
本文以北京奥运会纯电动大巴车用淘汰锰酸锂电池为测试和研究对象,选取一整车10箱共104节电池模块进行电池测试,电池容量和内阻测试采用美国Arbin公司BTS2000及其数据采集系统在恒温箱中进行。电池模块为4节额定容量为90Ah的锰酸锂电池单体并联而成,其额定容量为360Ah, 且电池容量都已衰退至额定容量80%以下,每箱电池组由8个或16个模块串联而成(具体电池测试试验描述见附录A)。由于电池具有初始不一致性,且电动汽车应用环节电池的串并联方式、位置差异、温度差异、震动强度以及衰退轨迹等因素各不相同,导致电池参数的衰退速率差异较大,最终加速放大了电池组的不一致性[8](梯次利用电池模块容量和直流内阻分布特性见附录B)。
北京奥运会纯电动大巴所用锰酸锂新电池模块容量为360Ah,容量极差不大于10Ah,1s直流内阻为0.325mΩ,直流内阻极差不大于0.05mΩ。大巴正常运行3年后,电池模块容量分布特性见附录B图B1,电池模块容量均值约为200Ah,容量衰退约45%,容量极差为30Ah;电池模块1s直流内阻分布特性见附录B图B2,1s直流内阻均值为0.42 mΩ,直流内阻增加约30%,直流内阻极差为0.216 mΩ。相对于新电池,梯次利用电池容量和直流内阻一致性明显下降。
将电池模块的容量和直流内阻进行横向比较发现,容量衰退率和直流内阻增加率并无必然相关性。 电池模块容量衰退率与直流内阻增加率的散点图如图1所示。
在车用淘汰电池梯次利用于储能系统时,需要将电池重新筛选成组。在以电池组的容量和能量利用率为主要性能考核指标时,对电池容量的一致性要求较高,将优先选择容量一致性好的电池成组[9]。 由图1结果可知,电池容量衰退率相同的电池,其直流内阻增加率差异较大,选取衰退后容量一致的电池进行成组将不可避免地带来电池内阻较大的初始差异,再加上电池极化和自放电率的不一致性,随着电池的继续使用,电池组的不一致性问题将日渐凸显,电池组容量和能量利用率也将逐渐下降。对于梯次利用锂电池储能系统,高效在线均衡系统的需求更加迫切,然而仅仅对PCS进行均衡充放电控制是远远不够的,要想从本质上解决电池储能系统的一致性问题,电池组内的均衡显得更为重要。
2电池组一致性评价
工程应用较广的是基于外电压的一致性评价方法,但该方法并没有深入分析其内在原因,随着电池组工况的变化,会得到不科学的结论,以此来指导均衡并不能有效解决电池组不一致性问题[10]。电池组一致性问题对电池组性能影响的最直观表现是电池组的可用容量降低,如果不进行有效均衡维护,长此以往势必会带来电池组输出功率下降和寿命缩短等问题。因此,以电池组最大可用容量作为电池组一致性判断依据,就能实现电池组一致性问题与电池的运行工况和环境之间的解耦,从而有效避免以电池外电压差异来判断电池组一致性好坏而得到不准确结论的问题。
现假设有n只最大可用容量分别为Qmax，1, Qmax，2,…,Qmax，n,且当前的荷电状态(SOC)分别为SOC，1,SOC，2,…,SOC，n的电池串联成组,电池组的相关参数如下。
1)电池组最大放电容量:
式中:i=1,2,…,n。
2)电池组最大充电容量:
式中:j=1,2,…,n。
3)电池组最大可用容量:
当i=j时,电池组最大可用容量Qmax等于电池组中最大可用容量最小的单体电池i的最大可用容量,在这种情况下,如图2(a)所示,虽然电池组各单体电池之间容量存在差异,但是电池组的容量利用率达到最大化,均衡并不能增加电池组的最大可用容量,所以电池组并不需要均衡。
图2(b),(c),(d)显示出电池组需要均衡的3种可能情况,这3种情况的共同点都是i≠j,电池组最大可用容量Qmax比组内可用容量最小的电池的最大可用容量还要小。此时,通过均衡能有效增加电池组的最大可用容量。
3电池组均衡策略
目前,实际应用的在线均衡策略往往采取从简的处理方式,仅以外电压作为控制对象[11-12]。单纯以外电压来判断均衡与否会出现不稳定结果,同时, 均衡前后电池组容量利用率并没有明显增加。由上节分析可知,以电池组容量利用率最大化为均衡目标的关键在于准确识别电池组内各单体电池的SOC和最大可用容量。
目前,实际工程应用的在线SOC估算方法主要是采用安时计量法与开路电压(OCV)法相结合[13], 电池的OCV需要电池静置后获得,静置的时间越长得到的OCV越准确。而电池储能系统运行的间歇性为准确获取电池的OCV提供了条件。
对于锰酸锂电池并不需要很长时间的静置就能得到较为准确的OCV,锰酸锂电池充电至不同SOC后静置不同时间的电压变化曲线如图3(a)所示。
把电池充电至不同SOC且静置60min后的电压曲线当作OCV-SOC曲线,电池充电至不同SOC后静置不同时间所测电压与电池OCV的电压差曲线如图3(b)所示。从图中看出,在电池SOC中间段电压差异变化平缓,直到电池SOC的高端(80%~100%),不同静置时间的电压差异才有增长的趋势。由锰酸锂电池的OCV-SOC曲线可知,在SOC中间段(10%~80%)每毫伏电压对应的SOC变化率小于0.3%,在SOC高端(80% ~100%)每毫伏电压对应的SOC变化率小于0.2%。
当用静置5 min的电压作为OCV估算SOC时,在SOC中间段带来的误差小于3%,在SOC高端的误差小于4%。但是,考虑到目前电池管理系统(BMS)的电压检测精度为5 mV,所以至少选取静置10min的电压去估算电池SOC才能保证误差小于5%。
从电池的SOC定义可知,电池的最大可用容量Qmax可以通过下式计算[10]:
式(4)中,ΔQ可以在线累积计算(电池电流i1对时间的积分),只要能准确得到电池充放电过程中起始和结束时的荷电状态SOC，ini和SOC，end,就能实现电池最大可用容量Qmax的在线估算。同时,为达到更好的估算精度,一方面,需要起始和结束的荷电状态变化 ΔSOC尽可能大;另一方面,识别SOC时刻应经常性出现,且每次识别时刻应一致。
电池储能系统主要功能之一是实现配电网侧的削峰填谷,以张家口国家风光储输示范工程为例,储能电站有功功率和无功功率一天的变化如图4所示。根据电网昼夜负荷峰谷差异大的特点,储能电站于凌晨00:00—06:00电网负荷低时满功率(14 MW)充电,于晚间用电高峰时根据实际用电需求进行放电[3]。因此,针对电池储能系统这一应用特点,选择凌晨充电前和充满电静置10 min后的2个时刻进行电池最大可用容量的估算,均衡执行也选择充电阶段。
电池组均衡是通过对组内单体电池额外充电或放电,使电池组达到如图2(a)所示情况,从而保证所有单体电池在不过充和不过放情况下电池组的最大可用容量达到最大化。以图2(b)为例,当电池组充完电后,通过估算组内单体电池SOC和最大可用容量来判断电池组是否需要均衡。对于图2(b)的情况,本文采用充电均衡方式,通过额外给电池2补充一部分容量使电池组的状态从图2(b)变成图2(a)。BMS计算电池2所需的充电容量并存储下来,当下一次充电开始时,BMS执行均衡策略,电池组充电结束时再次进行均衡判断并重新计算各单体电池所需均衡容量用于下一次均衡策略的执行, 如此重复直到电池组满足阈值条件时不再需要均衡。
4电池组均衡实验验证
4.1电池组在线均衡系统
根据以往车载BMS的开发经验,本文设计了一种适用于大容量电池储能系统的可靠性高且可扩展支持多串联的电池组在线均衡系统。本文采用模块化的设计思路,系统整体框架采用主从结构,由一个电池管理主控制器和多个均衡从控制器组成(均衡系统拓扑结构见附录C图C1)。电池管理主控制器主要功能是收集各个均衡从控制器采集的数据进行均衡与否判断,并下发指令控制均衡从控制器执行均衡,同时完成与电池储能系统其他设备(如PCS)之间的通信。均衡从控制器主要完成电池箱内电池信息的采集和均衡所需容量的计算与均衡执行功能。
均衡电路作为实现均衡的硬件载体,直接关系到均衡执行的效果。目前均衡电路拓扑形式丰富多样,主要分为耗散式与非耗散式两大类[10-12]。耗散式主要是指以电阻放电的方式将电池多余的电量消耗以实现均衡的目的,这种方式实现简单、成本低, 但存在能量浪费、散热处理和均衡时间长等问题。 本文采用非耗散式的充电均衡电路,均衡电路也采用模块化设计,每个均衡从控制器可以根据电池串联数配置均衡电路模块数。
均衡电路模块的拓扑结构如图5所示,以BMS的12V/24V电源输入作为各均衡模块的公共直流母线,通过各个模块的DC/DC恒流源和开关阵列选通的方式给单体电池进行充电均衡。
其中,切换开关为光控金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET),直接由均衡从控制器的单片机驱动选通。图5中节点ODD和EVEN为经过单体切换开关(CSW)后的输出节点,通过合理的开关逻辑控制,使得ODD到EVEN间的电压为需要均衡的单体电池的电压(可能是正电压或负电压)。通过极性切换开关(PSW)阵列的控制,对ODD到EVEN间电压与恒流源输出侧电压的正负极性进行匹配,保证恒流源能对单体电池进行均衡充电。 为了方便均衡容量的计量,同时防止单体电池过充电,恒流源采取恒流限压工作模式,均衡电流大小为2A。
电池管理主控制器收集所有从控制器采集的电池单体信息,应用第3节提出的均衡策略,对电池组内各单体电池的容量和SOC进行估算,应用第2节的方法对电池组的一致性进行评价并判断电池组是否需要均衡,同时计算得到各单体电池所需均衡的容量,最后下发相应控制指令的流程图见附录C图C2(a)。在线均衡系统只在电池充电过程对电池进行均衡,如果已经经过一次充电过程并且对电池组进行了均衡容量计算,则在充电开始后,按照计算结果对相应的电池进行均衡处理。同时,在本次充电过程完成并静置10min后,再次对电池组进行均衡判断和所需均衡容量计算用于下次均衡。电池管理从控制器执行均衡的流程图见附录C图C2(b), 从控制器接收主控制器的命令执行均衡过程,从控制器各均衡模块确定所需均衡容量最大的电池,以设定的阈值为一个单位完成电池的充电均衡,同时在均衡过程中不断更新存储所需均衡容量。
4.2电池组均衡效果验证
电池组均衡实验平台如图6所示,实验平台主要由四部分组成:美国Arbin公司EVTS-100 V/ 400A电池组测试设备、北京奥运会纯电动大巴车用淘汰锰酸锂电池组、电池组在线均衡系统以及个人计算机(PC)监控系统。电池组测试设备主要实现电池组充放电循环实验,通过TCP/IP将充放电数据上传到PC监控系统。被测电池组选取北京奥运会纯电动大巴车用10箱电池中第8箱4并16串电池组,该箱电池组各电池模块容量和内阻参数见表1。电池组在线均衡系统选择一主一从的方式, BMS均衡板上有3个均衡电路模块,其中2个模块分别管理5节电池,1个模块管理6节电池。
第8箱电池组电池模块容量极差为19.3Ah, 直流内阻极差为0.19mΩ,相对于整车电池的容量和内阻分布,其一致性较好。理想情况下,该电池组的最大可用容量为电池模块8-6的容量188.2Ah。 对电池组进行充放电测试,以1/3C倍率将电池组恒流充电至单体电池电压达到4.2V后,恒定最高单体电池电压直至充电电流小于10A,静置60min后,以1/3C倍率恒流放电至最低单体电池电压达到3V。电池组充电和静置过程各电池模块的电压变化曲线如图7所示。
由于充电前,电池组内各电池模块的SOC差异较大,电池模块8-7的SOC最高,为19.5%,电池模块8-13的SOC最低,为0%。同时,电池本身容量和内阻较大的差异导致充电过程中各模块电池电压出现较大的离散性。 电池组充电完成并静置30min后,电池模块8-9的电压最高,为4.135V, 电池模块8-13的电压最低,为4.055 V,电压极差高达80mV。电池组以1/3C倍率恒流放电的容量为158Ah,比电池模块容量最小值还要小,电池组的容量利用率只有84%。
加入在线均衡系统后对电池组进行充放电循环实验,第80次循环的电池组恒流、恒压充电和静置过程各电池模块电压变化曲线如图8所示。
可以看出,电池组均衡效果显著,各电池模块电压一致性明显改善,电池组充电完成并静置30min后,电池模块8-5的电压最高为4.126V,电池模块8-15的电压最低为4.081 V,电压极差缩小至45mV。均衡前后电池组充电和静置过程的电压和SOC变化曲线如图9所示。
均衡后由于电池组一致性明显改善,电池组充电时间明显变长,电池组充入更多容量,充电完成后整组电池电压也高于均衡前。而充电开始的一段时间,均衡后的电池组电压要低于均衡前,说明均衡后电池组的容量得到更大化的利用,电池组相较于均衡前放出了更多容量。由于电池组的短板效应,一致性最差的电池将决定电池组的充放电容量,由于均衡后电池组一致性改善,电池组充入更多容量,充电完成后电池组SOC也明显提高。电池组以1/3C倍率恒流放电,容量增加至174Ah,电池组的容量利用率提高了9%。
rest process and SOC curves before and after equilibrium
5结语
锂电池储能系统由于其诸多优势而在电网领域得到较多应用,同时,电动汽车淘汰锂离子电池梯次利用于储能系统将大大降低初始投资成本,为电池储能系统的大规模应用创造了条件。但相比新电池,梯次利用电池更严重的一致性问题将大大降低电池储能系统的寿命和可靠性。为解决这一问题, 仅仅对储能系统PCS进行均衡控制是远远不够的。 本文对大容量梯次利用锂电池储能系统内部电池组的均衡控制策略进行研究。基于容量利用率评价一致性的方法,分析了以电池组容量利用最大化为目标的电池组均衡判据。针对储能系统削峰填谷的应用特点,提出以电池组容量利用最大化为目标的主动均衡控制策略,设计电池组充电均衡电路并搭建电池组均衡实验平台对均衡效果进行了验证,为进一步完善电池储能系统各支路电池组的组内和组间联合均衡控制建立了研究基础。
电池均衡控制 篇7
英文引用格式：Wang Qiuting,Qi Wei,Xiao Duo.Design of active-balance system for lithium battery pack based on SOC[J].Application of Electronic Technique,2015,41(7):118-120,124.
0 引言
锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小的特点[1]。由于电池组呈模块化，在实际应用中涉及到安全性能和电池循环寿命等问题，它将制约着锂离子电池组在新能源汽车中的应用。在工作过程中锂离子电池充放电转换频繁、电流较大，对电池模型的动态特性的建模、电池荷电状态(State of Charge,SOC)的精度估算和单体电池的均衡管理，直接关系到电动汽车的运行性能。因此，锂离子电池组均衡控制系统的研究与开发已经成为了电动汽车应用方面的焦点[2,3]。目前，国内外对于锂离子电池组均衡控制的研究主要分为电池组的电量管理系统研究、电池组的均衡管理系统研究和电池组的状态管理系统研究三大部分[4]。本文研究开发的重点为：(1)通过SOC精确估计来为电池组均衡控制提供数据基础；(2)通过均衡控制解决电池组过充过放带来的寿命和性能等一系列问题。本文对锂离子电池组的工作状态、性能进行研究，设计开发基于单体电池SOC值的均衡电路系统，提出基于UKF的高精度SOC估计方法和基于SOC估计值的主动均衡控制算法。
1 均衡控制模块框图
本文设计的均衡控制电路硬件结构采用了模块化的设计思想[5]，依据各模块所实现的功能将整个硬件部分划分为5个模块，分别是：电池参数检测模块、数据处理控制模块、均衡控制保护模块、充放电控制模块以及电子负载单元，硬件功能组成单元如图1所示。
2 均衡控制电路设计与实现
2.1 控制电路
本文设计完成了均衡充放电控制电路的硬件电路，部分电路如图2所示。硬件系统模块各部分的功能如下：
(1)充电/放电模块：包括电子负载和锂离子电池组，用来获取充放电数据测量数据的载体功能。
(2)电池参数测试模块：通过BQ24610芯片得到参数VB（单体电池的电压）和温度信息，通过霍尔电流传感器得到参数IB（单体电池的外部电流）。
(3)电压传感器：测量电子负载放电电压，提供给主控芯片作为判断电池组充放电状态的依据。
(4)数据处理控制模块：通过STC系列芯片作为均衡控制系统的CPU，完成单体电池和电池组电压、电流、温度信息的提取和存储；通过PIC18F4658芯片，得到基于电路等效模型的单体电池SOC值的精确估计值VSOC。
(5)充放电控制保护模块：由继电器开关、电阻组成的均衡硬件电路，包括电池组过充和过放保护电路。
2.2 功能电路
图3所示为充放电均衡功能模块的硬件电路图，该电路包括继电器开关Si、DC/DC电压逆变器、均衡充放电网络。工作原理：根据上级数据处理控制模块得到的控制信号控制最多10个单体锂离子电池是否在充放电硬件电路中。达到10个单体锂离子电池均衡充放电的目的，提高电池组总功率，延长电池寿命。电阻R作为均衡放电电阻；开关Ki控制输入到DC/DC逆变器的总电压，最后提供给负载作为总电源。
3 基于SOC的主动均衡控制方法
3.1 单体SOC估计方法
单体电池SOC值的精确估计直接影响到电池组充放电均衡效果，同时影响电动汽车的整车能量利用率[6,7,8]。本文采用的单体电池SOC估计算法逻辑框图如图4所示，以离线脉冲实验得到的内阻值为初始参数，以离线OCV-SOC关系数据表为电池SOC初始值，根据实时电池电压、电流值，在线计算SOC值，并以此为基础在线辨识内阻值，建立内阻-SOC关系函数。
3.2 均衡控制流程
本文创新性地将单体电池SOC值作为电池组充放电均衡控制的基础参数，达到提高控制准确度的目的。具体控制方案和步骤如下：
(1)结合Ah法计算剩余容量，定义锂离子电池单体SOC计算表达式如下：
(1)结合锂离子电池二阶电路等效模型，建立数学模型方程为：
式中，Rf、Cf和RS、CS分别表示极化参数和浓差参数，Vf和VS表示极化电压和浓差电压；
(2)通过锂离子电池测试仪得到准确的内阻参数值，由表达式(2)和(3)得出极化内阻和浓差内阻上的动态电压计算值；
(3)通过电池参数测试模块得到的电池电压、电流和温度值，由表达式(3)得到单体电池SOC动态计算表达式：
(2)利用步骤(1)得到的单体电池实时SOC值进行单体电池充放电均衡；
(1)根据步骤(1)得到的SOC值进行单体电池排序，设置SOC最低门限值为0.4进行判断；
(2)检测SOC值大于0.4的单体电池数量n，若n≤6，实行均衡控制初始化程序；
(3)计算每个单体电池间SOC值差值；单体电池SOC值小于1(SOC≤1)且差值大于0.2(△SOC≥0.2)，开启均衡控制电路的相应继电器；
设量测差值为△SOC(i),i=1,2，…5，差值的权系数为{Pi}，则根据最小二乘法得到门限计算公式：
重新计算单体电池SOC值差值权系数，可得当满足最小二乘估计门限公式(如下)，可判断误差值为有效误差：
剔除伪误差值，若△SOC(i)≥0.2的差值数大于2个，则对△SOC(·)进行从大到小的排序，差值较大的2个单体电池首先进行均衡控制；
对需要进行均衡策略控制的2个单体电池进行再次SOC值大小判断，若SOC(Bi)较大，则开启相应继电器开关；
(4)判断循环次数i是否超过电池串联最大值，若是则等待，若不是则继续计算单体电池SOC值和SOC差值，进行下一个均衡控制开关的控制步骤。
4实验结果
实验选用NCR-18650A型磷酸铁锂电池，额定电压为3.6 V，放电截止电压为2.5 V，充电截止电压为4.2 V，标称容量为3.1 Ah。实验将单体进行6节串联成组，串联的电池组额定容量为18.6 Ah。利用充放电循环工况对串并联电池组进行实验，选取循环次数为200次。首先利用实验数据计算单体电池实时SOC值，根据3.1节所述方法得到电池开路电压与SOC关系方程如下：
放电阶段：
充电阶段：
式中，SOC=[0,1],OCV单位为mV。
其次，对电池组中6节单体电池进行电压测试，将均衡和非均衡两种仿真状态下的实验数据进行比较，如表1所示。实验结果显示：（1）随着充放电循环次数的增加，单体电池端电压下降，循环200次后，端电压最低值分别为3 468 mV（均衡）和3 288 mV（非均衡），可见均衡电路可以减少单体电池端电压的下降程度；（2)6节串联电池之间的电压最大差值增加，但是均衡电路中的电压差值增加较小；（3）在同一个循环中，均衡电路控制单体电池最大电压差值较小，且200次后最大差值控制在100 m V以内，而非均衡电路的最大电压差值达到198 m V;(4）单体电池3在均衡电路和非均衡电路中电压下降最多（与单体电池特性有关），均衡电路延缓其达到截止电压。
5 结论
本文设计开发基于单体SOC估计值的电池组主动均衡系统，该系统综合考虑电池实际容量、剩余容量、电压、电流对电池组不一致性的影响，采用单体电池SOC值作为均衡评判标准。实验表明，基于SOC的主动均衡方法能有效利用电池组容量，提高电池组性能。同时，该均衡系统的整体性能受SOC估算精度和控制电路设计的影响，今后需进一步研究温度以及库伦效率对电池组一致性的影响，同时优化硬件电路，提升均衡性能。
摘要：对锂离子电池组的工作状态和工作性能进行研究,采用电子技术和计算机控制技术设计智能锂离子电池组均衡控制系统。建立电池组动态模型,创新性地提出基于SOC估计值的主动均衡控制方法,该方法利用抗差无迹Kalman滤波(UKF)得到的高精度SOC估计值作为决策基础。通过18650型锂离子电池组仿真实验表明,所设计的电池组主动均衡系统和新型均衡算法具有较好的实时性和较高的控制精度,对提高纯电动汽车的能量利用率具有重要的现实意义。
关键词：锂离子电池组,SOC,主动均衡,抗差UKF
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