0 引言

    鋰離子電池具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電小的特點^[1]。由于電池組呈模塊化，在實際應用中涉及到安全性能和電池循環(huán)壽命等問題，它將制約著鋰離子電池組在新能源汽車中的應用。在工作過程中鋰離子電池充放電轉(zhuǎn)換頻繁、電流較大，對電池模型的動態(tài)特性的建模、電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)的精度估算和單體電池的均衡管理，直接關(guān)系到電動汽車的運行性能。因此，鋰離子電池組均衡控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)已經(jīng)成為了電動汽車應用方面的焦點^[2，3]。目前，國內(nèi)外對于鋰離子電池組均衡控制的研究主要分為電池組的電量管理系統(tǒng)研究、電池組的均衡管理系統(tǒng)研究和電池組的狀態(tài)管理系統(tǒng)研究三大部分^[4]。本文研究開發(fā)的重點為：(1)通過SOC精確估計來為電池組均衡控制提供數(shù)據(jù)基礎；(2)通過均衡控制解決電池組過充過放帶來的壽命和性能等一系列問題。本文對鋰離子電池組的工作狀態(tài)、性能進行研究，設計開發(fā)基于單體電池SOC值的均衡電路系統(tǒng)，提出基于UKF的高精度SOC估計方法和基于SOC估計值的主動均衡控制算法。

1 均衡控制模塊框圖

    本文設計的均衡控制電路硬件結(jié)構(gòu)采用了模塊化的設計思想^[5]，依據(jù)各模塊所實現(xiàn)的功能將整個硬件部分劃分為5個模塊，分別是：電池參數(shù)檢測模塊、數(shù)據(jù)處理控制模塊、均衡控制保護模塊、充放電控制模塊以及電子負載單元，硬件功能組成單元如圖1所示。

2 均衡控制電路設計與實現(xiàn)

2.1 控制電路

    本文設計完成了均衡充放電控制電路的硬件電路，部分電路如圖2所示。硬件系統(tǒng)模塊各部分的功能如下：

    (1)充電/放電模塊：包括電子負載和鋰離子電池組，用來獲取充放電數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)的載體功能。

    (2)電池參數(shù)測試模塊：通過BQ24610芯片得到參數(shù)VB（單體電池的電壓）和溫度信息，通過霍爾電流傳感器得到參數(shù)I_B（單體電池的外部電流）。

    (3)電壓傳感器：測量電子負載放電電壓，提供給主控芯片作為判斷電池組充放電狀態(tài)的依據(jù)。

    (4)數(shù)據(jù)處理控制模塊：通過STC系列芯片作為均衡控制系統(tǒng)的CPU，完成單體電池和電池組電壓、電流、溫度信息的提取和存儲；通過PIC18F4658芯片，得到基于電路等效模型的單體電池SOC值的精確估計值V_SOC。

    (5)充放電控制保護模塊：由繼電器開關(guān)、電阻組成的均衡硬件電路，包括電池組過充和過放保護電路。 

2.2 功能電路

    圖3所示為充放電均衡功能模塊的硬件電路圖，該電路包括繼電器開關(guān)Si、DC/DC電壓逆變器、均衡充放電網(wǎng)絡。工作原理：根據(jù)上級數(shù)據(jù)處理控制模塊得到的控制信號控制最多10個單體鋰離子電池是否在充放電硬件電路中。達到10個單體鋰離子電池均衡充放電的目的，提高電池組總功率，延長電池壽命。電阻R作為均衡放電電阻；開關(guān)Ki控制輸入到DC/DC逆變器的總電壓，最后提供給負載作為總電源。

3 基于SOC的主動均衡控制方法

3.1 單體SOC估計方法

    單體電池SOC值的精確估計直接影響到電池組充放電均衡效果，同時影響電動汽車的整車能量利用率^[6-8]。本文采用的單體電池SOC估計算法邏輯框圖如圖4所示，以離線脈沖實驗得到的內(nèi)阻值為初始參數(shù)，以離線OCV-SOC關(guān)系數(shù)據(jù)表為電池SOC初始值，根據(jù)實時電池電壓、電流值，在線計算SOC值，并以此為基礎在線辨識內(nèi)阻值，建立內(nèi)阻-SOC關(guān)系函數(shù)。

3.2 均衡控制流程

    本文創(chuàng)新性地將單體電池SOC值作為電池組充放電均衡控制的基礎參數(shù)，達到提高控制準確度的目的。具體控制方案和步驟如下：

    (1)結(jié)合Ah法計算剩余容量，定義鋰離子電池單體SOC計算表達式如下：

    ①結(jié)合鋰離子電池二階電路等效模型，建立數(shù)學模型方程為：

式中，R_f、C_f和R_S、C_S分別表示極化參數(shù)和濃差參數(shù)，V_f和V_S表示極化電壓和濃差電壓；

    ②通過鋰離子電池測試儀得到準確的內(nèi)阻參數(shù)值，由表達式(2)和(3)得出極化內(nèi)阻和濃差內(nèi)阻上的動態(tài)電壓計算值；

    ③通過電池參數(shù)測試模塊得到的電池電壓、電流和溫度值，由表達式(3)得到單體電池SOC動態(tài)計算表達式：

    (2)利用步驟(1)得到的單體電池實時SOC值進行單體電池充放電均衡；

    ①根據(jù)步驟(1)得到的SOC值進行單體電池排序，設置SOC最低門限值為0.4進行判斷；

    ②檢測SOC值大于0.4的單體電池數(shù)量n，若n≤6，實行均衡控制初始化程序；

    ③計算每個單體電池間SOC值差值；單體電池SOC值小于1(SOC≤1)且差值大于0.2(ΔSOC≥0.2)，開啟均衡控制電路的相應繼電器；

    計算相鄰單體電池SOC差值：

    設量測差值為ΔSOC(i)，i=1，2，…5，差值的權(quán)系數(shù)為{P_i}，則根據(jù)最小二乘法得到門限計算公式：

    剔除偽誤差值，若ΔSOC(i)≥0.2的差值數(shù)大于2個，則對ΔSOC(·)進行從大到小的排序，差值較大的2個單體電池首先進行均衡控制；

    對需要進行均衡策略控制的2個單體電池進行再次SOC值大小判斷，若SOC(Bi)較大，則開啟相應繼電器開關(guān)；

    ④判斷循環(huán)次數(shù)i是否超過電池串聯(lián)最大值，若是則等待，若不是則繼續(xù)計算單體電池SOC值和SOC差值，進行下一個均衡控制開關(guān)的控制步驟。

4 實驗結(jié)果

    實驗選用NCR-18650A型磷酸鐵鋰電池，額定電壓為3.6 Ｖ，放電截止電壓為2.5 Ｖ，充電截止電壓為4.2 Ｖ，標稱容量為3.1 Ah。實驗將單體進行6節(jié)串聯(lián)成組，串聯(lián)的電池組額定容量為18.6 Ah。利用充放電循環(huán)工況對串并聯(lián)電池組進行實驗，選取循環(huán)次數(shù)為200次。首先利用實驗數(shù)據(jù)計算單體電池實時SOC值，根據(jù)3.1節(jié)所述方法得到電池開路電壓與SOC關(guān)系方程如下：

    放電階段：

式中，SOC=[0，1]，OCV單位為mV。

    其次，對電池組中6節(jié)單體電池進行電壓測試，將均衡和非均衡兩種仿真狀態(tài)下的實驗數(shù)據(jù)進行比較，如表1所示。實驗結(jié)果顯示：（1）隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，單體電池端電壓下降，循環(huán)200次后，端電壓最低值分別為3 468 mV（均衡）和3 288 mV（非均衡），可見均衡電路可以減少單體電池端電壓的下降程度；（2）6節(jié)串聯(lián)電池之間的電壓最大差值增加，但是均衡電路中的電壓差值增加較小；（3）在同一個循環(huán)中，均衡電路控制單體電池最大電壓差值較小，且200次后最大差值控制在100 mV以內(nèi)，而非均衡電路的最大電壓差值達到198 mV；（4）單體電池3在均衡電路和非均衡電路中電壓下降最多（與單體電池特性有關(guān)），均衡電路延緩其達到截止電壓。

5 結(jié)論

    本文設計開發(fā)基于單體SOC估計值的電池組主動均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合考慮電池實際容量、剩余容量、電壓、電流對電池組不一致性的影響，采用單體電池SOC值作為均衡評判標準。實驗表明，基于SOC的主動均衡方法能有效利用電池組容量，提高電池組性能。同時，該均衡系統(tǒng)的整體性能受SOC估算精度和控制電路設計的影響，今后需進一步研究溫度以及庫倫效率對電池組一致性的影響，同時優(yōu)化硬件電路，提升均衡性能。

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