0引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境問題的日益突出，純電動(dòng)汽車因其低噪音、無污染等突出優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域中的一個(gè)重要組成部分和發(fā)展方向。相較于以內(nèi)燃機(jī)為動(dòng)力源的傳統(tǒng)汽車而言，電池為純電動(dòng)汽車唯一的動(dòng)力源，以此驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)為車輛的運(yùn)行提供動(dòng)力，為提高純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，通常需要將動(dòng)力電池串聯(lián)成電池組。由于受動(dòng)力電池原材料品質(zhì)、生產(chǎn)工藝、工作環(huán)境等因素的影響，動(dòng)力電池組在經(jīng)過多次充放電后，電池間差異將逐步顯現(xiàn)。若在電池組充電狀態(tài)下將造成容量低的電池過充，容量高的電池未充滿;而在放電狀態(tài)下將造成容量低的電池過放，容量高的電池未充分利用，多次反復(fù)將使得動(dòng)力電池組性能下降，嚴(yán)重情況下還會(huì)引發(fā)電池組爆炸等安全問題。因此針對(duì)電池組狀態(tài)逐漸離散的問題，開發(fā)出結(jié)構(gòu)靈活、智能高效的電池組能量均衡系統(tǒng)已成為重要研究方向。當(dāng)前大多數(shù)電池組均衡系統(tǒng)只考慮主動(dòng)均衡技術(shù)，均衡周期較長(zhǎng)，本文設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)兼顧被動(dòng)均衡高效和主動(dòng)均衡能量無損的優(yōu)點(diǎn)，在考慮成本的前提下可有效提高均衡效果，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1電池組不均衡度分析

通過對(duì)動(dòng)力電池組的循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)、模擬工況試驗(yàn)可知，動(dòng)力電池組的不一致性通常包含原始性能參數(shù)不一致和電池性能老化程度不一致兩種情況，具體表現(xiàn)在單體電池之間的參數(shù)特性如電池端電壓、SOC、內(nèi)阻等差異。其中端電壓值容易測(cè)量，且是單體電池間能量差異的直接和客觀反映，

因此本文所述均衡系統(tǒng)以電池端電壓為控制目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行均衡控制策略設(shè)計(jì)。定義單體電池端電壓差異度α來衡量動(dòng)力電池組總體一致性情況：

Ui為各個(gè)單體電池端電壓值，n為電池?cái)?shù)目。單體電池端電壓差異度α反應(yīng)的是動(dòng)力電池組電壓整體不一致性態(tài)勢(shì)，這一態(tài)勢(shì)變化幅度較小，不會(huì)因?yàn)槟骋浑姵仉妷褐底兓鴦×也▌?dòng)。同樣可以定義每個(gè)電池包內(nèi)電壓差異度來表征各個(gè)電池包內(nèi)電池一致性情況。

2均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1均衡系統(tǒng)總體框架

整個(gè)動(dòng)力電池組根據(jù)車輛動(dòng)力性需求可分為若干電池包，每個(gè)電池包由若干單體電池組成。本文設(shè)計(jì)的電池組能量均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該均衡系統(tǒng)包含以下幾大功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池組單體電池電壓信息，作為均衡電路是否工作的依據(jù)參數(shù);被動(dòng)均衡模塊作用于每個(gè)電池包內(nèi)單體電池之間，以各自電池包內(nèi)單體電池平均電壓為目標(biāo)參考值進(jìn)行動(dòng)態(tài)均衡，以此作為后續(xù)主動(dòng)均衡的基礎(chǔ);主動(dòng)均衡模塊作用于各個(gè)電池包之間，以被動(dòng)均衡后電池包平均電壓為目標(biāo)參考值進(jìn)行動(dòng)態(tài)雙向均衡;中央控制器根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊監(jiān)測(cè)到的電池電壓參數(shù)，依據(jù)設(shè)置好的均衡策略，分別控制被動(dòng)均衡模塊和主動(dòng)均衡模塊的工作狀態(tài)，其中被動(dòng)均衡模塊場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管由通用IO口輸出高低電平，經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制，而主動(dòng)均衡模塊場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管由控制器相應(yīng)PWM模塊產(chǎn)生周期和占空比可控方波，經(jīng)由PWM驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制。

2.2被動(dòng)均衡理論分析

被動(dòng)均衡基本電路特征為將一個(gè)功率開關(guān)管和耗散電阻串聯(lián)后，再與電池包中的每個(gè)電池并聯(lián)，通過“分流”需要均衡的電池電流，以此來控制各單體電池的均衡過程，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。被動(dòng)均衡電路原理圖如圖2所示，其中I為充電電流，Vb_n為各個(gè)單體電池電壓值，in為各個(gè)單體電池電流，Rn為耗散電阻，Sn為功率開關(guān)管。在動(dòng)力電池組充電過程中，若某單體電池電壓高于均衡閥值，則導(dǎo)通功率開關(guān)管，對(duì)該電池充電電流I進(jìn)行分流，從而使其充電速率比其它電池慢。忽略功率開關(guān)管的阻抗，則單體電池充電電流為：

在動(dòng)力電池組放電過程中，若某單體電池電壓高于均衡閥值，則導(dǎo)通功率晶體管以增加該電池的有效負(fù)載，從而使其放電速率比其它電池快，在此不再贅述放電過程中的電流關(guān)系表達(dá)式。根據(jù)單體電池電壓和電池包內(nèi)單體電池電壓平均值之差，由中央控制器通用IO口輸出高低電平來模擬可控方波的生成，設(shè)置其占空比和周期的大小，以此控制被動(dòng)均衡的工作狀態(tài)。被動(dòng)均衡電路設(shè)計(jì)時(shí)必須注意功率開關(guān)管和耗散電阻的選擇，以使均衡電流保持在合理范圍內(nèi)。如果均衡電流過高則功耗會(huì)很大，將引起電池包升溫且增加電子元器件負(fù)擔(dān);如果均衡電流過低則需要很長(zhǎng)時(shí)間才能起到均衡作用，這會(huì)降低電池均衡效率，甚至失去均衡意義。

2.3主動(dòng)均衡理論分析

如圖3所示，主動(dòng)均衡功能模塊由輔助儲(chǔ)能電感、儲(chǔ)能電容、功率開關(guān)管組成。每對(duì)電池包之間配置一個(gè)主動(dòng)均衡模塊，以被動(dòng)均衡后電池包平均電壓為參考值，它既能向低于平均值電壓的電池包轉(zhuǎn)入能量，使其電壓值向平均值靠攏，又能從高于平均值電壓的電池包轉(zhuǎn)出能量，同樣使其電壓值向平均值靠攏，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)雙向無損均衡。

以j均衡模塊為對(duì)象進(jìn)行電路原理分析，定義D為PWM占空比，T為周期，初始狀態(tài)下儲(chǔ)能電容Cj電壓等于電池包VBj和VBj+1電壓之和。假設(shè)某一時(shí)刻電池包VBj電壓高于電池包VBj+1，忽略電池包等效內(nèi)阻和功率開關(guān)管阻抗，其電路分析過程如下：從零到DT這段時(shí)間為第一階段，功率開關(guān)管Qj開啟，Qj+1關(guān)閉，則電池包VBj對(duì)電感Lj充電，儲(chǔ)能電容Cj對(duì)電池包VBj+1和輔助儲(chǔ)能電感Lj+1充電。根據(jù)基爾霍夫電壓和電流定律可得，這一階段電氣動(dòng)態(tài)方程為：

輔助儲(chǔ)能電感工作在DICM模式，電池包電壓之比和電感電流及PWM占空比之間的關(guān)系為：

由公式(12)和(13)可知PWM周期T和占空比D是決定均衡電流大小的關(guān)鍵因素。控制單元根據(jù)電池包電壓參數(shù)，調(diào)節(jié)PWM占空比和周期來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)電池包之間的動(dòng)態(tài)能量轉(zhuǎn)移，達(dá)到均衡效果。

3均衡控制策略流程圖

均衡控制策略具體實(shí)施過程如圖4所示，首先進(jìn)行均衡系統(tǒng)中央控制器各個(gè)寄存器和端口初始化。其次數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)單體電池電壓，由中央控制器內(nèi)置程序計(jì)算各個(gè)電池包內(nèi)單體電池電壓平均值，作為單體電池是否進(jìn)行被動(dòng)均衡的依據(jù)。若某一單體電池電壓高于此平均值，則中央控制器相應(yīng)通用IO口電平狀態(tài)變化，輸出控制信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管開啟，進(jìn)行單體電池被動(dòng)均衡。這一過程持續(xù)進(jìn)行，直到單體電池電壓與平均值之差小于限定閥值。再次中央控制器內(nèi)置程序計(jì)算各個(gè)電池包整體電壓平均值，作為

電池包之間是否進(jìn)行主動(dòng)均衡的依據(jù)。只要電池包電壓與此平均值之差不小于限定閥值，就由中央控制器PWM模塊產(chǎn)生周期和占空比可控方波，經(jīng)由PWM驅(qū)動(dòng)電路來控制場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管的開閉，以此進(jìn)行電池包間的主動(dòng)均衡。均衡控制策略中限定閥值需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置，其值設(shè)定的越小則均衡周期越長(zhǎng)，反之則均衡周期短而均衡效果略差。