文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.182339
中文引用格式： 戴震宇，劉志茹，賈金環(huán)，等. 基于容量和電壓的混合最優(yōu)控制均衡[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(3)：108-112.
英文引用格式： Dai Zhenyu，Liu Zhiru，Jia Jinhuan，et al. Mixed optimal control scheme based on capacity balance and voltage balance[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(3)：108-112.
0 引言
從低碳化、信息化、智能化的角度考慮，電動汽車是未來汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的方向，但電動汽車在發(fā)展過程中也存在一些急需解決的問題。動力電池單體的不一致性會嚴(yán)重影響電動汽車的使用性能以及行駛里程[1]。動力電池組內(nèi)電池的不一致性需要采取合適的均衡策略來進行改善。常用的均衡方法主要包括被動均衡和主動均衡，被動均衡是一種耗能式均衡，技術(shù)比較成熟，但均衡效率低，對單體的不一致性改善效果有限，而且還會帶來均衡散熱問題[2]；主動均衡是一種轉(zhuǎn)移式均衡，將能量從一個電池轉(zhuǎn)移到另一個電池，這種方式均衡效率高，均衡電流較大，尤其是對于容量大的電池組，均衡效果十分明顯，目前在電動汽車上獲得了廣泛的應(yīng)用[3]。
現(xiàn)今主動均衡策略已引起國內(nèi)外的廣泛關(guān)注，但主要集中于主動均衡硬件方案、拓撲結(jié)構(gòu)等方面的問題，對于主動均衡策略方面的研究及實驗數(shù)據(jù)較少。近年來，同濟大學(xué)戴海峰研究團隊[4]提出了一種電感主動均衡方案，是基于電壓均衡策略實現(xiàn)電池之間的均衡；梁嘉羿研究團隊[5]于2017年提出了一種能量集中式雙向傳遞的Cuk型均衡電路，設(shè)計了基于電壓均衡的頂部均衡和底部均衡的均衡控制策略，取得了不錯的均衡效果；邱斌斌等人[6]提出了一種新型的主動均衡方案，以單體電池開路電壓在線估計為基礎(chǔ)，估算剩余電量，并以此為依據(jù)進行主動均衡控制；張利等人[7]研究了一種針對磷酸鐵鋰動力電池組的主動均衡充電系統(tǒng)，該研究的獨特之處在于采用單體電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）作為均衡判據(jù)，控制電池的主動均衡。這些研究方案的提出對于提高電池單體的一致性都做出了一定的貢獻，但都集中于研究電壓均衡或容量均衡的某一種均衡策略。眾所周知，對于廣泛應(yīng)用的磷酸鐵鋰電池，電壓均衡往往只能夠在電池SOC兩端區(qū)間進行均衡，電壓均衡策略比較局限，又存在著過度均衡[8]、能量浪費的缺點。而對于容量均衡策略，由于SOC估算誤差的存在，其有效性也存在著極大的不確定性。因此，優(yōu)化主動均衡策略是十分必要的。
針對兩種常見的主動均衡策略存在的問題，本文提出了一種新型的主動均衡方案，同時結(jié)合了容量均衡與電壓均衡，并通過實際工況實驗，驗證了該種均衡策略可以更好地實現(xiàn)電池之間的能量均衡，提高電池單體的一致性。
1 傳統(tǒng)均衡策略分析
電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)是根據(jù)實時監(jiān)測的電池電壓、電流、溫度等參數(shù)，比較電池的不一致性。根據(jù)設(shè)定的均衡策略，當(dāng)電池的不一致性達到均衡開啟閾值的條件時，主動均衡開啟，控制均衡電路，完成電池之間的均衡。
1.1 電壓均衡策略
電壓均衡的策略是，以電池組內(nèi)單體電池的電壓作為判據(jù)，對高電壓的電池放電，對低電壓的電池充電，直到最終電池組內(nèi)的電壓極差小于電壓均衡開啟閾值時結(jié)束均衡。電壓均衡原理如圖1所示。
但是，由于單體電池內(nèi)阻存在差異，而且在實車運行狀態(tài)下電流變化劇烈、電池的極化等因素，將引起電池端電壓的劇烈變化，這很容易造成誤均衡和過度均衡。此外，在磷酸鐵鋰動力電池的應(yīng)用中，電壓均衡往往只能夠在電池SOC兩端區(qū)間進行均衡，均衡時間十分有限。因此，電壓均衡對于磷酸鐵鋰電池的應(yīng)用效果較差。
1.2 容量均衡策略
容量均衡的策略是，以電池剩余容量作為判據(jù)，對高SOC狀態(tài)下的電池放電，對低SOC狀態(tài)下的電池充電，直到最終電池之間的SOC差距減小到均衡開啟閾值時結(jié)束均衡[9]。容量均衡原理如圖2所示。
容量均衡能夠使用的前提是能夠以極高的精度對電池SOC狀態(tài)進行估算，而實際情況是目前SOC估算主要是基于安時積分法，這種方法計算的SOC誤差大，而且誤差不可消除，所以容量均衡并沒有被廣泛使用。
2 混合最優(yōu)控制均衡策略詳述
針對以上兩種均衡策略的特點，本文提出一種新型的均衡策略方案——基于容量和電壓的混合最優(yōu)控制均衡。該方案是：判斷電池組靜置時間是否足夠，若否，則開啟電壓均衡模式，若是，則認為電池的端電壓即為電池的開路電壓(Open Circuit Voltage，OCV)，并根據(jù)OCV-SOC對應(yīng)關(guān)系查詢得到每個電池的SOCi，之后計算得到電池組荷電狀態(tài)平均值SOCmean：
混合最優(yōu)控制的核心是以靜止?fàn)顟B(tài)下的OCV判斷每節(jié)電池的均衡容量，優(yōu)先容量均衡，當(dāng)容量均衡條件不再滿足也即容量均衡完成時，開啟電壓均衡。一般來講，對于不一致性程度不是特別嚴(yán)重的情況，當(dāng)容量均衡完成時，電池之間的壓差不會很大，只有在電池組荷電狀態(tài)處于SOC兩端時方會滿足電壓均衡開啟條件。這樣就不會經(jīng)常發(fā)生誤均衡和過度均衡的情況，可以大大提高均衡效率和提升均衡效果。
3 實際均衡實驗與結(jié)果分析
3.1 均衡實驗
本文測試對象為成組形式1P24S的磷酸鐵鋰電池組，磷酸鐵鋰電池的標(biāo)稱容量為100 Ah，該電池的OCV-SOC對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。按照《GBT 31486-2015 電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法(單體 模組)》[10]國標(biāo)要求，對電池組的每節(jié)電池進行恒流恒壓充電實驗，記錄每節(jié)電池的恒流充電容量以及恒壓充電容量，具體如表1所示。
本實驗設(shè)定1號單體充電為滿電狀態(tài)，其余編號電池充電容量為70 Ah，電池初始狀態(tài)如圖5所示，以此為初始條件組成主動均衡電池模組，進行恒流充放電循環(huán)試驗，充/放電電流為50 A，充/放電循環(huán)結(jié)束的條件是電池組中任意一個電池單體電壓達到截止電壓。在充/放電循環(huán)中，開啟主動均衡；按照放電、靜置1 h、充電、靜置1 h的循環(huán)順序，以放電開始，以充電結(jié)束；當(dāng)電池組的充電容量不再顯著增加時停止實驗，并且最終取出單節(jié)電池進行單獨1 C放電，記錄每節(jié)電池的放電容量。
為了對比試驗結(jié)果，證明混合控制主動均衡策略的有效性，本文分兩組進行試驗：電壓均衡、容量和電壓的混合最優(yōu)控制均衡。除均衡策略外，其余初始條件、測試條件均相同。
3.2 結(jié)果分析
3.2.1 最終狀態(tài)
以電壓均衡策略進行主動均衡試驗后電池的開路電壓和最終充電容量分布展示在圖6(a)中，得到的電池組電池單體的最大開路電壓為3.351 V，最小開路電壓為3.341 V，平均開路電壓為3.343 V，最終電池的電壓極差為10 mV。經(jīng)單個電池單體放電試驗后測得，最大容量為96.6 Ah，最小容量為90.2 Ah，電池組電池的平均容量為92.5 Ah，容量極差為6.4 Ah。這表明電壓均衡策略的主動均衡在一定程度上改善了電池組的不一致性，提高了電池組容量。
圖6(b)展示了混合最優(yōu)控制均衡策略進行主動均衡試驗后電池的開路電壓和最終充電容量分布。最大開路電壓為3.346 V，最小開路電壓為3.339 V，平均開路電壓為3.342 V，最終電池的電壓極差只有7 mV，此結(jié)果與電壓均衡策略相比，提升不大。而分析經(jīng)單個電池單體放電試驗后的容量數(shù)據(jù)可知，最大容量為96.0 Ah，最小容量為94.7 Ah，電池組電池的平均容量為95.6 Ah，容量極差僅有1.35 Ah，可以看出混合最優(yōu)控制均衡策略的電池組容量差異明顯小于電壓均衡策略的電池組容量差，此結(jié)果對電池單體的一致性是很好的提升，表明混合最優(yōu)控制均衡策略的均衡效果更好。
3.2.2 充電容量變化
圖7展示了兩種均衡策略下歷次充電循環(huán)充電容量變化趨勢圖(圖中的容量值為電池組充放電機讀出的數(shù)據(jù)，因效率損失問題，實際充入電池的電量值應(yīng)略小于該值)。從圖中可以看出，兩種主動均衡策略，隨著充電循環(huán)的進行，充電容量都在不斷增加，但是從最終穩(wěn)定的充電容量值來看，混合最優(yōu)控制策略下的電池組容量更高，達到近97 Ah，而電壓均衡策略下的電池組容量穩(wěn)定值在93 Ah左右；從均衡效率來說，電壓均衡策略下的主動均衡試驗到第13個循環(huán)才開始達到穩(wěn)態(tài)，而混合最優(yōu)控制策略下的主動均衡試驗在第5個循環(huán)就已達到穩(wěn)態(tài)，對比時間成本，這是大大的提升。因此，混合最優(yōu)控制策略下的主動均衡實驗電池容量的提升，尤其是時間效率提升都遠遠高于電壓均衡策略。
由于本試驗充電循環(huán)中只有恒流充電、沒有恒壓降流的過程，從表1的測試數(shù)據(jù)可以看出該電池組電池的恒流充電容量最低只有96.4 Ah，因此該電池組在恒流充電工況下無均衡的最大恒流充電容量應(yīng)該約為96.4 Ah，而本電池組最終達到的充電容量穩(wěn)定值約為97 Ah，該值十分逼近該電池組的最大恒流充電容量。
4 結(jié)論
本文針對當(dāng)前主動均衡策略的技術(shù)瓶頸，提出了一種基于容量和電壓的混合最優(yōu)控制均衡策略，該策略以容量均衡為先，并結(jié)合了電壓均衡。詳細的對比均衡實驗證明，特別是在針對磷酸鐵鋰動力電池的均衡應(yīng)用中，基于容量和電壓的混合最優(yōu)控制策略優(yōu)于電壓均衡策略，均衡效果更好，且在很大程度上縮短了均衡時間，實現(xiàn)了主動均衡的混合最優(yōu)控制。
參考文獻
[1] 麻友良，陳全世.混合動力電動汽車用蓄電池不一致的影響分析[J].汽車電器，2001，9(2)：5-7.
[2] STUART T A，ZHU W.Fast equalization for large lithiumion batteries[J].IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine，2009，24(7)：27-31.
[3] KIM M Y，KIM C H，KIM J H，et al.A chain structure of switched capacitor for improved cell balancing speed of lithium-ion batteries[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014，61(8)：3989-3999.
[4] 戴海峰，魏學(xué)哲，孫澤昌，等.電動汽車用鋰離子動力電池電感主動均衡系統(tǒng)[J].同濟大學(xué)學(xué)報，2013，41(10)：1547-1553.
[5] 王友仁，梁嘉羿，黃薛，等.航空蓄電池能量均衡技術(shù)研究[J].航空學(xué)報，2017，38(5)：320665.
[6] 邱斌斌，劉和平，楊金林，等.一種磷酸鐵鋰動力電池組主動均衡充電系統(tǒng)[J].電工電能新技術(shù)，2014，33(1)：71-75.
[7] 張利，李興寧，祁華銘，等.基于剩余能量在線估算的電池組主動均衡研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2015，29(10)：1557-1563.
[8] 鄭岳久.車用鋰離子動力電池組的一致性研究[D].北京：清華大學(xué)，2014.
[9] 傅堯，潘博，鄭百祥.基于主動均衡技術(shù)的電動汽車電池管理系統(tǒng)[C].電動汽車充放電技術(shù)研討會，2012.
[10] GB/T31486-2015.電動汽車用動力蓄電池電性能要求及試驗方法[S].2015.
作者信息:
戴震宇，劉志茹，賈金環(huán)，白 鴿，趙小路
(上海科列新能源技術(shù)有限公司 動力研究院，上海201208)