0 引言

    鋰離子電池具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、自放電小的特點(diǎn)^[1]。由于電池組呈模塊化，在實(shí)際應(yīng)用中涉及到安全性能和電池循環(huán)壽命等問(wèn)題，它將制約著鋰離子電池組在新能源汽車中的應(yīng)用。在工作過(guò)程中鋰離子電池充放電轉(zhuǎn)換頻繁、電流較大，對(duì)電池模型的動(dòng)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(dòng)汽車的運(yùn)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(dòng)汽車應(yīng)用方面的焦點(diǎn)^[2，3]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(diǎn)為：(1)通過(guò)SOC精確估計(jì)來(lái)為電池組均衡控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；(2)通過(guò)均衡控制解決電池組過(guò)充過(guò)放帶來(lái)的壽命和性能等一系列問(wèn)題。本文對(duì)鋰離子電池組的工作狀態(tài)、性能進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)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(jì)方法和基于SOC估計(jì)值的主動(dòng)均衡控制算法。

1 均衡控制模塊框圖

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

2 均衡控制電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 控制電路

    本文設(shè)計(jì)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(fù)載和鋰離子電池組，用來(lái)獲取充放電數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)的載體功能。

    (2)電池參數(shù)測(cè)試模塊：通過(guò)BQ24610芯片得到參數(shù)VB（單體電池的電壓）和溫度信息，通過(guò)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(cè)量電子負(fù)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(guò)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(chǔ)；通過(guò)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(jì)值V_SOC。

    (5)充放電控制保護(hù)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(guò)充和過(guò)放保護(hù)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(luò)。工作原理：根據(jù)上級(jí)數(shù)據(jù)處理控制模塊得到的控制信號(hào)控制最多10個(gè)單體鋰離子電池是否在充放電硬件電路中。達(dá)到10個(gè)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(zhǎng)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(fù)載作為總電源。

3 基于SOC的主動(dòng)均衡控制方法

3.1 單體SOC估計(jì)方法

    單體電池SOC值的精確估計(jì)直接影響到電池組充放電均衡效果，同時(shí)影響電動(dòng)汽車的整車能量利用率^[6-8]。本文采用的單體電池SOC估計(jì)算法邏輯框圖如圖4所示，以離線脈沖實(shí)驗(yàn)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(shí)時(shí)電池電壓、電流值，在線計(jì)算SOC值，并以此為基礎(chǔ)在線辨識(shí)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(chǔ)參數(shù)，達(dá)到提高控制準(zhǔn)確度的目的。具體控制方案和步驟如下：

    (1)結(jié)合Ah法計(jì)算剩余容量，定義鋰離子電池單體SOC計(jì)算表達(dá)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(xué)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(guò)鋰離子電池測(cè)試儀得到準(zhǔn)確的內(nèi)阻參數(shù)值，由表達(dá)式(2)和(3)得出極化內(nèi)阻和濃差內(nèi)阻上的動(dòng)態(tài)電壓計(jì)算值；

    ③通過(guò)電池參數(shù)測(cè)試模塊得到的電池電壓、電流和溫度值，由表達(dá)式(3)得到單體電池SOC動(dòng)態(tài)計(jì)算表達(dá)式：

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

    ①根據(jù)步驟(1)得到的SOC值進(jìn)行單體電池排序，設(shè)置SOC最低門限值為0.4進(jìn)行判斷；

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

    ③計(jì)算每個(gè)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(yīng)繼電器；

    計(jì)算相鄰單體電池SOC差值：

    設(shè)量測(cè)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(jì)算公式：

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

    對(duì)需要進(jìn)行均衡策略控制的2個(gè)單體電池進(jìn)行再次SOC值大小判斷，若SOC(Bi)較大，則開啟相應(yīng)繼電器開關(guān)；

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    實(shí)驗(yàn)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(biāo)稱容量為3.1 Ah。實(shí)驗(yàn)將單體進(jìn)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(duì)串并聯(lián)電池組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，選取循環(huán)次數(shù)為200次。首先利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算單體電池實(shí)時(shí)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(duì)電池組中6節(jié)單體電池進(jìn)行電壓測(cè)試，將均衡和非均衡兩種仿真狀態(tài)下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，如表1所示。實(shí)驗(yàn)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?。唬?）在同一個(gè)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(dá)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(dá)到截止電壓。

5 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)開發(fā)基于單體SOC估計(jì)值的電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)綜合考慮電池實(shí)際容量、剩余容量、電壓、電流對(duì)電池組不一致性的影響，采用單體電池SOC值作為均衡評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明，基于SOC的主動(dòng)均衡方法能有效利用電池組容量，提高電池組性能。同時(shí)，該均衡系統(tǒng)的整體性能受SOC估算精度和控制電路設(shè)計(jì)的影響，今后需進(jìn)一步研究溫度以及庫(kù)倫效率對(duì)電池組一致性的影響，同時(shí)優(yōu)化硬件電路，提升均衡性能。

參考文獻(xiàn)

[1] 雷治國(guó)，張承寧，李軍求，等.電傳動(dòng)車輛用高功率鋰離子電池性能分析研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(3)：61-66.

[2] 王占國(guó)，文鋒，盛大雙，等．新型充放電均衡一體化電池管理系統(tǒng)研究[J]．電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2012，26(5)：431-436.

[3] 黃勤，嚴(yán)賀彪，凌睿，等．鋰電池組能量均衡的模糊-PI控制研究[J]．計(jì)算機(jī)工程，2012，38(8)：280-282.

[4] 楊書華，鄒鵬，石文榮，等.鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2013，39(11)：60-66.

[5] 朱玉玉，劉福兵，李朋飛.AGV車用鋰離子電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40(9)：55-57.

[6] 董博，李永東．基于剩余容量估算的快速蓄電池均衡[J]．清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，52(3)：374-379.

[7] 王笑天，楊志家，王英勇，等．雙卡爾曼濾波算法在鋰離子電池SOC估算中的應(yīng)用[J]．儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34(8)：1732-1738.

[8] 高安同，張金，周生，等.基于卡爾曼濾波算法的鋰離子電池荷電狀態(tài)估算[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2014,40(5)：65-67.