一种面向轻型电动车的锂离子电池组均衡方法

谭晓军，程海峰，陈维杰

(中山大学工学院，广东广州510275)

一种面向轻型电动车的锂离子电池组均衡方法

谭晓军，程海峰，陈维杰

(中山大学工学院，广东广州510275)

针对四轮轻型电动车的典型应用，提出了一种面向24节串联锂离子电池组的非耗散型均衡方法。该方法通过对电池状态进行精确监测，利用目前较为先进的LTC3300芯片，可将电荷从SOC较高的电池转给电池组，也可用电池组的整体电荷对某个SOC较低的电池补电，实现双向快速均衡。通过均衡与充电交替进行的控制策略，电池组能实现SOC意义上的均衡，提高均衡精度。试验及仿真结果表明，该方法在均衡耗时及能量效率两个方面都较现有方法更优。

动力电池；非耗散均衡；轻型电动车

近年来，四轮低速轻型电动车以其较高的性价比赢得了民众的普遍认可，销售量每年攀升。目前，低速电动车生产商已从单纯追求低成本的做法转为追求车辆的耐用性、高性能及高可靠性，因此不少新型的轻型电动车都开始采用锂离子电池组供电。锂离子电池组具有比能量高、循环寿命长及自放电小、能量效率高等优点，可使车辆提速快，续航里程远，使用寿命长，比采用铅酸电池组的电动车性能更优。此前人们认为锂离子电池组价格高，难以管理；事实上，随着电池管理系统技术的进步，锂离子电池组的更换里程能达到铅酸电池组的四到五倍，平均使用成本较铅酸电池组低，从而实现真正的“贵买便宜用”，将具有强大的市场竞争力。

然而，无论电池生产过程中的制造工艺还是使用过程中由于温度、通风条件等不同而引起的环境差异，都会造成电池组内各个电池的SOC(state of charge)不一致。由于锂电池电压平台较低，需要用多个电池串联组成电池组，这使电池不一致性的影响更为突出。如果不采取均衡控制，消除电池之间的不一致，不仅会使电池组的有效容量降低，还会使得这种不一致随着时间推移呈扩大趋势，从而加速电池劣化，造成电池组提早失效[1]。

因此，配备有效的均衡模块，是保证锂离子电池组长期稳定工作的必要手段，也是电池管理系统开发工作的重要内容之一。目前电池均衡控制多采用耗散型的方法[2]，即利用旁路电阻将SOC较高的单体电池的一部分能量通过发热的形式耗散掉，以使各电池的SOC保持一致。这种方法逻辑简单、成本较低，目前得到了广泛的应用。然而，由于多余能量通过发热的形式消耗，容易引起热管理的问题，对工作环境的通风条件要求严格，同时加剧了电池间的温度差异，形成新一轮的不平衡。近年来人们开始研究发热量更少、更省能量及均衡速度更快的非耗散型均衡方式[3-5]。

1 硬件原理介绍

非耗散型的方法是通过补充或转移的方式，将SOC较低的电池单独补电，或者利用特定的元器件将SOC高的电池的电量转移到相对较低的电池中。目前所提出的非耗散型均衡控制方法可依据所选转移器件的不同分为三种类型，包括飞渡电容法、电感法[3]和变压器法[4]等。依据能量传递方式的不同还可再细分为分散式与集中式两种。利用电容或电感进行的能量传递，器件两端的电压需要尽量相近，因此往往只能在两两电池间操作，或者通过升压的方式[5]完成电池与电池组之间的交换。选用变压器作为媒介则不存在电压匹配的问题，可以轻松实现电池与电池组间的均衡，从而缩短均衡时间，提高均衡效率。另外，由于电容与电感的特性，往往只能从高压端传输给低压端，对于某些特定情况(例如大部分电池SOC一致，只有少数电池SOC较低时)，这种单向的均衡方式会显得较为低效。选用变压器的优势则在于能够根据实际需求灵活进行双向均衡，因此在均衡电路的设计上变压器也被广泛采用。以下提到的LTC3300芯片集成了均衡所需的开关控制及精准的电流测量电路，能方便地实现基于变压器的电池组双向非耗散型均衡，其管脚的控制灵活，可根据实际需求制定不同的均衡策略。

1.1 LTC3300特点

LTC3300是凌力尔特公司针对串联电池组电压均衡开发的集成芯片。每块芯片可控制最多6个电池，通过不同的堆栈方式可设计出不同的均衡策略，可对任意数量的电池进行分组均衡或集中均衡，适用于包括轻型电动车在内的各类电池组应用情景。均衡电流可以依据所选器件灵活配置，芯片支持最高10 A的均衡电流，可实现快速双向均衡。同时，基于该芯片所设计的均衡控制电路板，其能量转换效率可达92%，配合良好的均衡控制策略以及堆栈方式，可以设计出时间更短、效率更高的非耗散型均衡方案。

1.2 均衡电路原理

本文基于LTC3300设计了单元均衡电路板，可实现对6节串联电池的均衡控制，其硬件原理如图1所示。图1中每个单体电池通过变压器与电池组相连，形成双向同步反激电路。以电池CELL1为例，变压器初级端的MOS管受控制引脚G1P控制，次级端则由G1S控制。当电池需要进行放电时，初级端MOS管导通，电池为线圈充电，电流线性上升，直至电流检测脚I1P检测电流已达到预设值，初级MOS管断开，次级MOS管导通，储存在变压器中的能量转移到整个电池组，电流线性下降，直至电流检测脚I1S检测电流已降为零，次级MOS管断开，初级再次导通，从而形成放电循环。当电池需要进行充电时，通过类似的步骤可从电池组中抽取能量，补充到特定电池中。每个电池的充放电过程均由专门的控制引脚进行控制，相互之间可以同步独立进行，从而保证了均衡过程的快速高效。

图1 单元均衡电路硬件原理图

基于以上的单元电路，本文提出了一种针对四轮低速电动车典型应用的锂离子电池组非耗散型均衡控制方法。所提出的方法面向24节串联的锂离子电池，适用于72～96 V的电压平台，通过采用四块单元电路板，以首尾相接的堆栈方式进行连接，可同时对所有电池进行集中均衡。均衡电路的连接方式如图2所示。

图2 24节串联电池组的均衡电路连接方式

2 控制策略介绍

某特定时刻，对某个单体电池有三种可能的操作(对该电池充电；对该电池放电；对该电池不采取均衡动作)，均衡控制的关键在于确定要对电池采取以上三种操作之中的哪一种。在本文方案中，先利用精确的电压监测模块采集每个电池的电压数据(例如，利用LTC6804芯片可实现误差不大于1.2mV的电压监测)，然后计算所有电池的平均电压。当某电池电压高于平均电压一定范围时进行放电，电荷转移到整个电池组，或低于平均电压一定范围时进行充电，利用电池组的电荷为其补电。直至电池组最高与最低电压之差小于某预设的阈值时，均衡操作完成。

均衡的目的是为了使电池组内各电池的SOC尽量保持一致，以减小短板效应的影响，提高电池组的实际可用容量。通常的均衡方法以端电压(工作电压)为判据。然而，端电压的一致性不等于SOC的一致性：一方面，端电压受均衡电流大小的影响，当均衡电流较大时，电池实际的电动势往往与目标电压相距甚远，达不到均衡的目的；另一方面，即使能够使电动势尽量接近，也难以保证SOC的一致性，特别是对于磷酸铁锂材料的电池，由于放电平台区电压变化缓慢，微小的电动势差将会引起SOC较大的误差，难以保证理想的均衡效果。基于这两方面的考虑，本文在一次均衡的基础上，加入了电动势评估与多次均衡步骤，提出一种较完整的均衡方案，具体流程如图3所示。

图3 均衡控制流程

该均衡控制流程可以描述为：先利用图2所示的均衡电路进行整体均衡，当最高最低电压差值小于阈值U1时，单次均衡完成。在每个均衡单步间添加静置步骤，可以让电池充分回弹并接近于平衡电势，减小因均衡电流引起的电压降的影响，均衡控制以回弹后的电压作为判据，提高均衡效果。单次均衡完成后对整个电池组充电至满，并检测最高与最低电压是否在阈值范围U2内，若在阈值范围内，则全局操作停止，均衡结束，否则启动下一轮均衡。当电池处于较高SOC水平时，磷酸铁锂材料的电动势曲线变得陡峭，电动势与SOC之间的关系更为明确。通过多次重复均衡与充电步骤，电池间的SOC差异将逐步减小，可以有效提高这类电池的均衡精度。由于电动势曲线在充电末段呈加速上升趋势，电池经过充电后的电压差将会增大，因此全局电压阈值U2可设置比单次均衡阈值U1稍微偏大，以保证均衡操作的收敛性。在实际应用中可根据精度需求设置全局阈值U2，阈值越大，均衡停止条件就越容易满足，相应的均衡时间就越短。

3 均衡仿真与试验

为验证方案的可行性，对24节额定容量为20 Ah的磷酸铁锂电池进行均衡仿真与试验。仿真的目的除了是验证策略的可行性，还在于利用大量样本的仿真结果分析其均衡时间与能耗情况，以便与耗散型方法作全面对比，同时找出均衡效果最差的样本，确定该方案的时间与能耗上限，为实际应用提供参考。试验的目的在于验证策略的现实可行性及仿真模型的准确性。

3.1 仿真建模

文献[1]详细描述了基于LTC3300单元均衡电路的仿真模型建立方法，本文在此基础上建立了面向24个电池的均衡模型。每个电池的初始容量有两种可能的取值(18 Ah或20 Ah)，选取这样的典型初值，是因为一般电池组内电池SOC的差异不会超过10%，对于额定容量为20 Ah的电池而言，如果SOC经常超过10%则视为异常，此时需要进行的不是均衡控制，而是更换某些劣化的电池。通过改变初始容量分布，计算出在不同情况下所提出方案的均衡时间与消耗电量，并与耗散型方法进行对比。仿真总样本量为224=16 777 216个，由于本均衡方案电池间的均衡操作相互独立，因此可以据此合并等效样本，只筛选出独立的样本进行仿真，从而缩短了仿真时间。计算每个样本下所提方法与耗散型法在均衡时间与能耗上的比例，仿真结果如图4所示。

图4 本文方法与耗散型法的时间与能耗比例分布

仿真从均衡时间与能耗两个角度对本文方法及耗散型均衡方法进行比较，图4中横坐标为样本数量，纵坐标为相同条件下本文方法在时间与能耗上占耗散型方法的比例。从图4(a)中可见，均衡时间占耗散型所用时间50%～60%的样本数量最多，有7 059 024个；从图4(b)可见，有8 521 069个样本的均衡能耗落在20%～30%区间。仿真结果表明，所提出的均衡方法在绝大多数情况下均优于传统的耗散型均衡。均衡时间平均比耗散型方法节省了38.92%，同时由于电池间的电量得到了高效转移并利用，所耗电量平均仅占耗散型方法的31.11%，均衡效率得到了显著提升。

3.2 均衡试验

通过试验可以验证仿真模型的准确性。试验前，对各电池进行容量、内阻评测，确保电池一致性良好。根据仿真结果可确定均衡效果最差的样本，此处选取最差样本进行试验，即设置1～12号电池初始容量为20 Ah，13～24号电池为18 Ah。均衡充电电流设置为2.3 A，放电电流为3.2 A，整组充电电流为10 A，设置单次均衡电压阈值U1为5mV，全局电压阈值U2为10mV。取电池组中最高与最低电压两个电池的数据，通过查表方式计算相应的SOC值，试验结果如图5所示，并与仿真结果进行对比。由图5可见仿真曲线与试验结果一致性较好，说明仿真模型能够准确地反映真实情况。此外，由图5中SOC趋势可见，经过一次均衡，虽然已经达到阈值条件5mV，但由于仍处于电压平台区，电池间的剩余电量差依然较大；经过均衡-充电数次更替后，剩余电量差逐步缩小至一个较小的范围，均衡效果得到了较大的提升。

图5 均衡过程单体电池的SOC变化

4 总结

本文针对四轮轻型电动车的典型应用，提出了一种基于LTC3300的锂离子电池组均衡电路及相应的控制策略。该均衡方案利用变压器作为能量交换元件，能够对电池进行充电与放电双向均衡，各电池同步进行互不干涉，提高了均衡速度和效率。经过多次均衡步骤，电池组能实现SOC意义上的均衡，提高了均衡精度。试验及仿真结果均表明，该均衡方案在均衡时间和损耗电量上与传统的耗散型均衡均有较明显的改善。分散式的拓扑结构增加了装配的灵活性，可以支持不同电池数量的情景，具有较强的适应性和可行性。

[1]谭晓军.电池管理系统深度理论研究：面向大功率电池组的应用技术[M].广州：中山大学出版社，2014：109-147.

[2]谭晓军.电动汽车动力电池管理系统设计[M].广州：中山大学出版社，2011：118-141.

[3]张寅孩，林俊，黎继刚.基于储能电感对称分布的动态均衡充电的研究[J].电工技术学报，2010，25(10)：136-141.

[4]杨文荣，李露露，李志洲，等.新型电动汽车锂电池组电量均衡电路设计[J].电源技术，2014，38(1)：100-102.

[5]李仲兴，余峰，郭丽娜.电动汽车用锂电池组均衡控制算法[J].电力电子技术，2011，45(12)：54-56.

Equalization of Li-ion battery for lightelectric vehicle

TAN Xiao-jun，CHENG Hai-feng，CHENWei-jie
(SchoolofEngineering，Sun Yat-sen University，Guangzhou Guangdong 510275，China)

An active equalizationmethod for 24-serial Li-ion battery of the lightelectric vehicle was introduced based on the LTC3300 chipsets and precise detection of the voltage.The charge could be transferred from cells w ith high SOC to the whole package and from the whole package to some cells w ith low SOC simultaneously.The speed of equalization was improved by adopting the proposed method.The method could be employed during the charging period，which ensured all the cells to be equalized in term s of SOC，w ith higher precision.The results of experiments and simulation show that the proposedmethod outperforms the others at time and energy efficiency.

power battery;active equalization;lightelectric vehicle

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1403-04

2015-12-04

广东省科技计划项目(2015B010135006)；广东省产学研项目(2014B090901050)

谭晓军(1977—)，男，广东省人，副教授，硕士生导师，主要研究方向为电动汽车动力电池管理系统。