0 引言

锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电小的特点^[1]。由于电池组呈模块化，在实际应用中涉及到安全性能和电池循环寿命等问题，它将制约着锂离子电池组在新能源汽车中的应用。在工作过程中锂离子电池充放电转换频繁、电流较大，对电池模型的动态特性的建模、电池荷电状态(State of Charge，SOC)的精度估算和单体电池的均衡管理，直接关系到电动汽车的运行性能。因此，锂离子电池组均衡控制系统的研究与开发已经成为了电动汽车应用方面的焦点^[2，3]。目前，国内外对于锂离子电池组均衡控制的研究主要分为电池组的电量管理系统研究、电池组的均衡管理系统研究和电池组的状态管理系统研究三大部分^[4]。本文研究开发的重点为：(1)通过SOC精确估计来为电池组均衡控制提供数据基础；(2)通过均衡控制解决电池组过充过放带来的寿命和性能等一系列问题。本文对锂离子电池组的工作状态、性能进行研究，设计开发基于单体电池SOC值的均衡电路系统，提出基于UKF的高精度SOC估计方法和基于SOC估计值的主动均衡控制算法。

1 均衡控制模块框图

本文设计的均衡控制电路硬件结构采用了模块化的设计思想^[5]，依据各模块所实现的功能将整个硬件部分划分为5个模块，分别是：电池参数检测模块、数据处理控制模块、均衡控制保护模块、充放电控制模块以及电子负载单元，硬件功能组成单元如图1所示。

2 均衡控制电路设计与实现

2.1 控制电路

本文设计完成了均衡充放电控制电路的硬件电路，部分电路如图2所示。硬件系统模块各部分的功能如下：

(1)充电/放电模块：包括电子负载和锂离子电池组，用来获取充放电数据测量数据的载体功能。

(2)电池参数测试模块：通过BQ24610芯片得到参数VB（单体电池的电压）和温度信息，通过霍尔电流传感器得到参数I_B（单体电池的外部电流）。

(3)电压传感器：测量电子负载放电电压，提供给主控芯片作为判断电池组充放电状态的依据。

(4)数据处理控制模块：通过STC系列芯片作为均衡控制系统的CPU，完成单体电池和电池组电压、电流、温度信息的提取和存储；通过PIC18F4658芯片，得到基于电路等效模型的单体电池SOC值的精确估计值V_SOC。

(5)充放电控制保护模块：由继电器开关、电阻组成的均衡硬件电路，包括电池组过充和过放保护电路。

2.2 功能电路

图3所示为充放电均衡功能模块的硬件电路图，该电路包括继电器开关Si、DC/DC电压逆变器、均衡充放电网络。工作原理：根据上级数据处理控制模块得到的控制信号控制最多10个单体锂离子电池是否在充放电硬件电路中。达到10个单体锂离子电池均衡充放电的目的，提高电池组总功率，延长电池寿命。电阻R作为均衡放电电阻；开关Ki控制输入到DC/DC逆变器的总电压，最后提供给负载作为总电源。

3 基于SOC的主动均衡控制方法

3.1 单体SOC估计方法

单体电池SOC值的精确估计直接影响到电池组充放电均衡效果，同时影响电动汽车的整车能量利用率^[6-8]。本文采用的单体电池SOC估计算法逻辑框图如图4所示，以离线脉冲实验得到的内阻值为初始参数，以离线OCV-SOC关系数据表为电池SOC初始值，根据实时电池电压、电流值，在线计算SOC值，并以此为基础在线辨识内阻值，建立内阻-SOC关系函数。

3.2 均衡控制流程

本文创新性地将单体电池SOC值作为电池组充放电均衡控制的基础参数，达到提高控制准确度的目的。具体控制方案和步骤如下：

(1)结合Ah法计算剩余容量，定义锂离子电池单体SOC计算表达式如下：

①结合锂离子电池二阶电路等效模型，建立数学模型方程为：

式中，R_f、C_f和R_S、C_S分别表示极化参数和浓差参数，V_f和V_S表示极化电压和浓差电压；

②通过锂离子电池测试仪得到准确的内阻参数值，由表达式(2)和(3)得出极化内阻和浓差内阻上的动态电压计算值；

③通过电池参数测试模块得到的电池电压、电流和温度值，由表达式(3)得到单体电池SOC动态计算表达式：

(2)利用步骤(1)得到的单体电池实时SOC值进行单体电池充放电均衡；

①根据步骤(1)得到的SOC值进行单体电池排序，设置SOC最低门限值为0.4进行判断；

②检测SOC值大于0.4的单体电池数量n，若n≤6，实行均衡控制初始化程序；

③计算每个单体电池间SOC值差值；单体电池SOC值小于1(SOC≤1)且差值大于0.2(ΔSOC≥0.2)，开启均衡控制电路的相应继电器；

计算相邻单体电池SOC差值：

设量测差值为ΔSOC(i)，i=1，2，…5，差值的权系数为{P_i}，则根据最小二乘法得到门限计算公式：

剔除伪误差值，若ΔSOC(i)≥0.2的差值数大于2个，则对ΔSOC(·)进行从大到小的排序，差值较大的2个单体电池首先进行均衡控制；

对需要进行均衡策略控制的2个单体电池进行再次SOC值大小判断，若SOC(Bi)较大，则开启相应继电器开关；

④判断循环次数i是否超过电池串联最大值，若是则等待，若不是则继续计算单体电池SOC值和SOC差值，进行下一个均衡控制开关的控制步骤。

4 实验结果

实验选用NCR-18650A型磷酸铁锂电池，额定电压为3.6 Ｖ，放电截止电压为2.5 Ｖ，充电截止电压为4.2 Ｖ，标称容量为3.1 Ah。实验将单体进行6节串联成组，串联的电池组额定容量为18.6 Ah。利用充放电循环工况对串并联电池组进行实验，选取循环次数为200次。首先利用实验数据计算单体电池实时SOC值，根据3.1节所述方法得到电池开路电压与SOC关系方程如下：

放电阶段：

式中，SOC=[0，1]，OCV单位为mV。

其次，对电池组中6节单体电池进行电压测试，将均衡和非均衡两种仿真状态下的实验数据进行比较，如表1所示。实验结果显示：（1）随着充放电循环次数的增加，单体电池端电压下降，循环200次后，端电压最低值分别为3 468 mV（均衡）和3 288 mV（非均衡），可见均衡电路可以减少单体电池端电压的下降程度；（2）6节串联电池之间的电压最大差值增加，但是均衡电路中的电压差值增加较小；（3）在同一个循环中，均衡电路控制单体电池最大电压差值较小，且200次后最大差值控制在100 mV以内，而非均衡电路的最大电压差值达到198 mV；（4）单体电池3在均衡电路和非均衡电路中电压下降最多（与单体电池特性有关），均衡电路延缓其达到截止电压。

5 结论

本文设计开发基于单体SOC估计值的电池组主动均衡系统，该系统综合考虑电池实际容量、剩余容量、电压、电流对电池组不一致性的影响，采用单体电池SOC值作为均衡评判标准。实验表明，基于SOC的主动均衡方法能有效利用电池组容量，提高电池组性能。同时，该均衡系统的整体性能受SOC估算精度和控制电路设计的影响，今后需进一步研究温度以及库伦效率对电池组一致性的影响，同时优化硬件电路，提升均衡性能。

参考文献

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