基于SOC的鋰離子電池組主動均衡系統設計*

汪秋婷，戚 偉，肖 鐸

（浙江大學城市學院 信息工程學院，浙江 杭州310015）

基于SOC的鋰離子電池組主動均衡系統設計*

汪秋婷，戚 偉，肖 鐸

（浙江大學城市學院 信息工程學院，浙江 杭州310015）

對鋰離子電池組的工作狀態和工作性能進行研究，采用電子技術和計算機控制技術設計智能鋰離子電池組均衡控制系統。建立電池組動態模型，創新性地提出基于SOC估計值的主動均衡控制方法，該方法利用抗差無跡 Kalman濾波（UKF）得到的高精度 SOC估計值作為決策基礎。通過18650型鋰離子電池組仿真實驗表明，所設計的電池組主動均衡系統和新型均衡算法具有較好的實時性和較高的控制精度，對提高純電動汽車的能量利用率具有重要的現實意義。

鋰離子電池組；SOC；主動均衡；抗差UKF

0 引言

鋰離子電池具有電壓高、比能量大、循環壽命長、安全性能好、自放電小的特點[1]。由于電池組呈模塊化，在實際應用中涉及到安全性能和電池循環壽命等問題，它將制約著鋰離子電池組在新能源汽車中的應用。在工作過程中鋰離子電池充放電轉換頻繁、電流較大，對電池模型的動態特性的建模、電池荷電狀態(State of Charge，SOC)的精度估算和單體電池的均衡管理，直接關系到電動汽車的運行性能。困此，鋰離子電池組均衡控制系統的研究與開發已經成為了電動汽車應用方面的焦點[2，3]。目前，國內外對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研究、電池組的均衡管理系統研究和電池組的狀態管理系統研究三大部分[4]。本文研究開發的重點為：(1)通過 SOC精確估計來為電池組均衡控制提供數據基礎；(2)通過均衡控制解決電池組過充過放帶來的壽命和性能等一系列問題。本文對鋰離子電池組的工作狀態、性能進行研究，設計開發基于單體電池SOC值的均衡電路系統，提出基于UKF的高精度SOC估計方法和基于SOC估計值的主動均衡控制算法。

1 均衡控制模塊框圖

本文設計的均衡控制電路硬件結構采用了模塊化的設計思想[5]，依據各模塊所實現的功能將整個硬件部分劃分為5個模塊，分別是：電池參數檢測模塊、數據處理控制模塊、均衡控制保護模塊、充放電控制模塊以及電子負載單元，硬件功能組成單元如圖1所示。

圖1 電池組均衡控制系統硬件結構

2 均衡控制電路設計與實現

2.1 控制電路

本文設計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。硬件系統模塊各部分的功能如下：

(1)充電/放電模塊：包括電子負載和鋰離子電池組，用來獲取充放電數據測量數據的載體功能。

(2)電池參數測試模塊：通過 BQ24610芯片得到參數VB（單體電池的電壓）和溫度信息，通過霍爾電流傳感器得到參數 IB（單體電池的外部電流）。

(3)電壓傳感器：測量電子負載放電電壓，提供給主控芯片作為判斷電池組充放電狀態的依據。

(4)數據處理控制模塊：通過STC系列芯片作為均衡控制系統的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；通過 PIC18F4658芯片，得到基于電路等效模型的單體電池SOC值的精確估計值VSOC。

(5)充放電控制保護模塊：由繼電器開關、電阻組成的均衡硬件電路，包括電池組過充和過放保護電路。

圖2 電池組均衡控制系統部分硬件電路圖

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Si、DC/DC電壓逆變器、均衡充放電網絡。工作原理：根據上級數據處理控制模塊得到的控制信號控制最多10個單體鋰離子電池是否在充放電硬件電路中。達到10個單體鋰離子電池均衡充放電的目的，提高電池組總功率，延長電池壽命。電阻R作為均衡放電電阻；開關Ki控制輸入到DC/DC逆變器的總電壓，最后提供給負載作為總電源。

圖3 均衡控制功能電路

3 基于SOC的主動均衡控制方法

3.1 單體SOC估計方法

單體電池SOC值的精確估計直接影響到電池組充放電均衡效果，同時影響電動汽車的整車能量利用率[6-8]。本文采用的單體電池SOC估計算法邏輯框圖如圖4所示，以離線脈沖實驗得到的內阻值為初始參數，以離線OCV-SOC關系數據表為電池 SOC初始值，根據實時電池電壓、電流值，在線計算SOC值，并以此為基礎在線辨識內阻值，建立內阻-SOC關系函數。

圖4 SOC估計模塊算法邏輯

3.2 均衡控制流程

本文創新性地將單體電池SOC值作為電池組充放電均衡控制的基礎參數，達到提高控制準確度的目的。具體控制方案和步驟如下：

(1)結合 Ah法計算剩余容量，定義鋰離子電池單體SOC計算表達式如下：

①結合鋰離子電池二階電路等效模型，建立數學模型方程為：

式中，Rf、Cf和 RS、CS分別表示極化參數和濃差參數，Vf和VS表示極化電壓和濃差電壓；

②通過鋰離子電池測試儀得到準確的內阻參數值，由表達式(2)和(3)得出極化內阻和濃差內阻上的動態電壓計算值；

③通過電池參數測試模塊得到的電池電壓、電流和溫度值，由表達式(3)得到單體電池 SOC動態計算表達式：

(2)利用步驟(1)得到的單體電池實時 SOC值進行單體電池充放電均衡；

①根據步驟(1)得到的SOC值進行單體電池排序，設置SOC最低門限值為0.4進行判斷；

②檢測SOC值大于0.4的單體電池數量n，若n≤6，實行均衡控制初始化程序；

③計算每個單體電池間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繼電器；

計算相鄰單體電池SOC差值：

設量測差值為 ΔSOC(i)，i=1，2，…5，差值的權系數為{Pi}，則根據最小二乘法得到門限計算公式：

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

對需要進行均衡策略控制的2個單體電池進行再次SOC值大小判斷，若SOC(Bi)較大，則開啟相應繼電器開關；

④判斷循環次數i是否超過電池串聯最大值，若是則等待，若不是則繼續計算單體電池SOC值和SOC差值，進行下一個均衡控制開關的控制步驟。

4 實驗結果

實驗選用NCR-18650A型磷酸鐵鋰電池，額定電壓為3.6V，放電截止電壓為 2.5V，充電截止電壓為 4.2V，標稱容量為3.1 Ah。實驗將單體進行6節串聯成組，串聯的電池組額定容量為18.6 Ah。利用充放電循環工況對串并聯電池組進行實驗，選取循環次數為200次。首先利用實驗數據計算單體電池實時SOC值，根據3.1節所述方法得到電池開路電壓與SOC關系方程如下：

放電階段：

充電階段：

式中，SOC=[0，1]，OCV單位為mV。

其次，對電池組中6節單體電池進行電壓測試，將均衡和非均衡兩種仿真狀態下的實驗數據進行比較，如表1所示。實驗結果顯示：（1）隨著充放電循環次數的增加，單體電池端電壓下降，循環 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節串聯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??；（3）在同一個循環中，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，而非均衡電路的最大電壓差值達到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），均衡電路延緩其達到截止電壓。

表1 均衡與非均衡實驗結果比較

5 結論

本文設計開發基于單體SOC估計值的電池組主動均衡系統，該系統綜合考慮電池實際容量、剩余容量、電壓、電流對電池組不一致性的影響，采用單體電池SOC值作為均衡評判標準。實驗表明，基于SOC的主動均衡方法能有效利用電池組容量，提高電池組性能。同時，該均衡系統的整體性能受SOC估算精度和控制電路設計的影響，今后需進一步研究溫度以及庫倫效率對電池組一致性的影響，同時優化硬件電路，提升均衡性能。

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

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Design of active-balance system for lithium battery pack based on SOC

Wang Qiuting，Qi Wei，Xiao Duo
(Department of Information Engineering，Zhejiang University City College，Hangzhou 310015，China)

This paper studies the working state and work performance of lithium battery pack.The active balance system is designed based on electronic technology and computer technology.The active balance method based on battery SOC(State of Charge) value is proposed.Our new method includes two premises，the dynamic model of battery pack and the accurate SOC value based on Unscented Kalman Filtering(UKF)algorithm.The experiments are operated using 18650-type lithium battery and the experiments results show that the new balance circuit and active balance method have better real-time performance and more accurate control performance.Besides，these better performances can improve the energy utilization rate of electric vehicle.

lithium battery pack；SOC；active balance system；UKF

TM192

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.07.033

汪秋婷，戚偉，肖鐸.基于SOC的鋰離子電池組主動均衡系統設計[J].電子技術應用，2015，41 (7)：118-120，124.

英文引用格式：Wang Qiuting，Qi Wei，Xiao Duo.Design of active-balance system for lithium battery pack based on SOC[J].Application of Electronic Technique，2015，41(7)：118-120，124.

2015-01-22)

汪秋婷（1982-），女，博士，講師，主要研究方向：數字信號處理、鋰離子電池能量管理。

戚偉（1984-），男，博士，講師，主要研究方向：電子電路、合同能量管理。

肖鐸（1972-），男，碩士，教授，主要研究方向：電子電路、鋰離子電池管理系統。

浙江省公益性技術應用研究計劃項目（2015C33225，2014C33026)；杭州市科技計劃項目（Y20130533B26）