0 引言

　　鋰離子蓄電池具有能量密度大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，但是其獨(dú)立單體的電壓和容量都較小，無法滿足機(jī)載、車載等工況需求。因此，成組方式使用是各種工況下供能的發(fā)展趨勢。但是，由于生產(chǎn)中無法消除的單體間差異，單體之間容易出現(xiàn)電壓和容量不平衡情況，進(jìn)而引發(fā)燃燒等安全問題，嚴(yán)重制約其推廣應(yīng)用。

　　針對該制約鋰電發(fā)展的核心技術(shù)問題，國內(nèi)外科技工作者均展開了相關(guān)技術(shù)研究，如黃勤等人對鋰電池組能量均衡的模糊-PI控制研究[1]，Mestrallet Fabien等人基于多相交錯轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)的鋰電池主動均衡研究[2]，及其他研究人員針對均衡問題展開探索性的研究[3-9]。同時，針對鋰電池均衡的關(guān)鍵因素檢測與估算(如單體SOC、電壓等)，尚麗平、Wu Billy[10-12]等人進(jìn)行了較為廣泛的應(yīng)用研究和方法探索。但是，針對這兩個關(guān)鍵因素的綜合評價和均衡路徑?jīng)Q策問題仍缺乏較為有效的解決方案。為解決這一問題，本文基于最佳優(yōu)先進(jìn)行了鋰離子蓄電池組均衡策略研究，并基于鋰電池組對單體充電以及單體對鋰電池組進(jìn)行反激式放電的思想實(shí)現(xiàn)了主動均衡調(diào)節(jié)。

1 單體間最佳優(yōu)先均衡策略研究

　　鋰電池根據(jù)正極材料的不同分為鈷酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰等類型。鈷酸鋰由于具有能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，已在機(jī)載等領(lǐng)域進(jìn)行推廣試用。單體間電壓和容量均衡等安全可靠性問題的解決將對其推廣起到重要的積極作用。

　　1.1 單體不平衡成因分析

　　鋰離子蓄電池通過放電過程向外部提供電能，兩個電極經(jīng)過負(fù)載連接構(gòu)成閉合回路，在兩個電極之間電勢差的作用下，電子從負(fù)極移向正極，同時，鋰離子蓄電池內(nèi)部，鋰離子從負(fù)電極經(jīng)電解液、隔膜移至正電極，直至正電極富鋰態(tài)或負(fù)電極貧鋰態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)。鈷酸鋰充放電過程中化學(xué)反應(yīng)方程式如式(1)所示。

　　鋰離子蓄電池通過上述充放電過程中化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)儲存電力和向外提供電力的應(yīng)用目標(biāo)。制備過程中，由于材料和制作工藝無法消除的單體間的差異，成組工作時在充放電過程中存在單體間的不平衡狀況，尤其是經(jīng)過長期使用后，這種不平衡狀況會更加明顯。

　　1.2 最佳優(yōu)先選擇

　　本文通過研究鋰離子蓄電池單體荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)及端電壓(Terminal Voltage，TV)的綜合評價方法，基于最佳優(yōu)先思想，確定目標(biāo)均衡單體及其均衡條件速率。

　　在選擇不平衡單體與評價其不均衡度的過程中，本文通過計算鋰離子蓄電池組總體不平衡度(Overall Comprehensive Imbalance Battery Degree，OCIBD)和單體不平衡度(Individual Imbalance Degree of Battery x，IIDBx)，達(dá)到最佳優(yōu)先選擇目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)所有鋰電池單體中綜合不平衡度最大的單體的確立以及不平衡度值的計算。鋰離子蓄電池組單體均衡最佳優(yōu)先選擇及均衡調(diào)節(jié)基本流程如圖1所示。

　　1.3 綜合不平衡度計算

　　考慮影響平衡狀態(tài)的SOC與TV兩大要素，構(gòu)建鋰離子蓄電池單體不平衡度推理計算網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。

　　圖2中，OCIBD代表電池組總體不平衡度；IIDBx表示第x個鋰電池單體的不平衡度；SOCx表示第x個鋰電池單體的荷電狀態(tài)(State of Charge)；TVx表示x單體端電壓(Terminal Voltage)；CF(M，N)表示由M到N推理規(guī)則的可信度因子(Credibility Factor)。

　　(1)總體不平衡度計算

　　通過計算總體不平衡度(OCIBD)實(shí)現(xiàn)決策處理，OCIBD是鋰離子蓄電池SOC及TV的不平衡度的綜合評價，通過不確定性推理得到。各個單體對綜合不平衡度的影響程度計算過程如式(2)所示。

　　CFx(OCIBD)=CF(OCIBD，IIDBx)×max{0，CF(IIDBx)}

　　(2)

　　其中，x表示單體的編號。所有單體的綜合不平衡度計算過程分3種情況，進(jìn)而逐步不平衡度影響效果疊加，不同情況計算過程如式(3)～式5所示：

　　通過各個單體不平衡影響程度復(fù)合計算，獲得鋰電池組綜合不平衡度CF（OCIBD），判定鋰離子蓄電池工況狀態(tài)及其工作是否正常，并根據(jù)不平衡度判定鋰電池處于充電、放電或擱置狀態(tài)。待確定出鋰電池工況狀態(tài)后，再根據(jù)不平衡程度量度值大小進(jìn)行非正常工作時的保護(hù)限判定，以防止過度不平衡現(xiàn)象以及由此而引發(fā)的自燃現(xiàn)象。

　　(2)單體不平衡度計算

　　SOC和TV是單體綜合不平衡度計算的兩個主要參數(shù)。單體綜合不平衡狀態(tài)及其量度值是均衡單體選定以及能量轉(zhuǎn)移方向確立的主要依據(jù)。本文通過單體綜合不平衡度值的計算，再基于最佳優(yōu)先選擇思想，確定出不平衡工況狀態(tài)下的單體間的均衡路徑以及需要均衡的速度和方向。各個單體不平衡度CF(IIDBx)計算過程如式(6)～式(8)所示。

　　式中，m表示單體編號，CFm1(IIDBx)和CFm2(IIDBx)分別表示第m個單體的荷電狀態(tài)SOC和TV對單體不平衡度的影響程度，計算過程如式(9)所示。

　　CFm1(IIDBx)=CF(IIDBx,SOCx)×max{0，CF(SOCx)}

　　CFm2(IIDBx)=CF(IIDBx,TVx)×max{0，CF(TVx)}(9)

　　式中，CF(IIDBx,SOCx)和CF(IIDBx,TVx)分別表示SOC和TV對單體不平衡度的影響程度(權(quán)重)，初始值為1，經(jīng)過不同值實(shí)驗調(diào)節(jié)效果驗證后進(jìn)行0～1之間的權(quán)重值確立。

　　(3)均衡決策

　　根據(jù)綜合不平衡度的工況狀態(tài)與不平衡狀態(tài)的判斷與確立，綜合狀態(tài)判定及安全保護(hù)限制后，在正常狀況下，根據(jù)最佳優(yōu)先思想決策出第x個單體需均衡調(diào)節(jié)。最后，根據(jù)單體不平衡度絕對值|CF(IIDBx)|大小確定能量轉(zhuǎn)移的快慢程度，根據(jù)值的正負(fù)確定能量轉(zhuǎn)移方向。

　　2 均衡系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　　鋰電池單體電壓和容量均較小，多數(shù)情況下，獨(dú)立單體難以滿足現(xiàn)場工況需求，因此，需級聯(lián)成組進(jìn)行工況應(yīng)用，某型號鋰離子蓄電池級聯(lián)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中標(biāo)號分別代表：1 單體蓄電池；2 溫度開關(guān)；3 跨接板；4 彎跨接板；5 電源正極；6 插座；7 跨接板；8 電源負(fù)極；9 半電壓連接片；10 溫度傳感器；11 跨接板。

　　根據(jù)最佳優(yōu)先均衡策略實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池主動均衡調(diào)節(jié)，設(shè)計鋰離子蓄電池組主動均衡系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)其供能過程中的單體間平衡調(diào)節(jié)，設(shè)計的鋰離子蓄電池主動均衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 實(shí)驗分析

　　3.1 容量變化實(shí)驗

　　在不同的溫度條件下，以不同的放電倍率對某型號鋰離子蓄電池進(jìn)行恒流放電實(shí)驗。記錄該鋰電池從充滿到達(dá)終止?fàn)顟B(tài)過程中放出的電荷量總值，并進(jìn)行歸一化等實(shí)驗結(jié)果分析。實(shí)驗結(jié)果表明，在溫度值為0 ℃以上的環(huán)境條件下，鋰電池容量隨溫度變化緩慢。而在溫度小于0 ℃時，鋰電池的容量隨溫度降低衰減明顯。如1C放電倍率下溫度對放電容量的影響，實(shí)驗結(jié)果如圖5所示。

　　3.2 電壓變化實(shí)驗

　　通過對不同放電倍率(9 A、12.5 A、22.5 A、45 A、90 A、

　　180 A、225 A)放電實(shí)驗，得到不同條件下放電過程中的電壓變化規(guī)律并進(jìn)行歸一化擬合，找到整體變化規(guī)律，不同放電倍率下的歸一化放電電壓特性曲線如圖6所示。

　　通過上述工作機(jī)理分析及基礎(chǔ)實(shí)驗研究，本文基于SOC和TV兩個重要參量進(jìn)行綜合不平衡程度評價方法探索，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對鋰離子蓄電池主動均衡系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)鋰離子蓄電池供能中單體間不平衡狀況的均衡調(diào)節(jié)。

　　3.3 均衡調(diào)節(jié)實(shí)驗

　　在不同工況下鋰電池主動均衡時，研制的電池管理系統(tǒng)實(shí)時采集鋰電池參數(shù)值，經(jīng)過抗干擾處理后經(jīng)A/D采樣至處理器，通過最佳優(yōu)先策略進(jìn)行SOC和TV的主動均衡調(diào)節(jié)，檢測參數(shù)精度與范圍指標(biāo)如表1所示。

　　通過最佳優(yōu)先均衡方法的提出和研究，以及基于SOC和TV綜合影響程度估計，并把該值作為參考依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了單體最佳優(yōu)先選擇。通過實(shí)驗室不同放電倍率及溫度條件下的均衡調(diào)節(jié)實(shí)驗驗證，實(shí)現(xiàn)了不同工況下的鋰離子蓄電池組實(shí)時主動均衡。

　　4 結(jié)論

　　基于最佳優(yōu)先方法，把剩余容量(SOC)和端電壓(TV)綜合不平衡估計值作為均衡基準(zhǔn)值，提出了一種鋰離子蓄電池組最佳優(yōu)先均衡方法。基于該方法和均衡策略研制了車載鋰離子蓄電池組BMS，用于單體間均衡調(diào)節(jié)。該方法能夠在不同工況下取得較好均衡調(diào)節(jié)效果，有效保證鋰離子蓄電池組安全供能，為其可靠供能提供有益探索。

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