动力电池均衡控制逻辑分析及应用研究
摘要：本文通过研究电动汽车动力电池均衡系统的研究与设计，分析了动力电池平衡措施的应用，动力电池均衡算法，动力电池均衡电流要求，主动与被动均衡的对比，完成串联电池组均衡控制，可使不一致性得到改善，使用容量最大化、使用周期延长、能量利用率提升。
关键词：电池管理系统电池均衡充电保护
锂离子电池已经成为消费类产品（例如手机或笔记本电脑）所用小型电池的主要选择，并且在汽车牵引和陆基分布式储能等大型电池应用中，也逐渐呈现出取代铅酸电池和镍氢电池的趋势。仅当管理得当时，锂离子电池才能够表现出比其他化学电池更加优良的特性，因此，锂离子电池需要配备有效的电池管理系统（BMS）。
虽然锂离子单体电池性能优异，但也不允许使其工作在严格安全区域之外，否则会产生令人不满意甚至危险的后果。在多数情况下，单体电池故障的后果也仅仅是电池使用寿命缩短或者电池损毁，不会发生安全事故。然而滥用锂离子单体电池则是一件极其危险的事情，并且很容易对单体电池造成严重的物理损害（穿孔或破碎）和/或过热（由过电压、过电流或外部发热引起）。
随着大量新能源汽车的销售，大量的车企出现，技术良莠不齐，电池出现各种自然现象，其中大部分原因是电池无法得到有效的均衡，因此需要进行电池均衡系统的优化。
1电池管理系统
1.1电池管理系统定义
电池管理系统是以某种方式对电池进行管理和控制的产品或技术。也就是说电池管理系统包含如下功能：
（1）电池保护；（2）电池状态估计；（3）电池性能最大化；（4）对用户或外部设备进行反馈。
1.2锂离子电池管理系统的功能
电池管理系统在锂离子电池充电过程中十分必要。当任意一个单体电池达到最大充电电压时，电池管理系统必须关断充电器。电池管理系统可以通过均衡电池组使其容量最大化。其中均衡方式又分为主动均衡与被动均衡，主动均衡主要是将各电池不同的电量通过DC/DC双向有源电路实现，被动均衡主要消耗电量达到要求。电池管理系统在锂离子电池充电过程中十分必要。
2动力电池均衡研究
2.1电池均衡
由于单体电池间差异以及不同的充电历史，电池中的单体电池一般会产生以下4种不一致性：荷电状态（SOC）、自放电（自放电电流）、内阻、容量。一般情况下，电池内部单体电池的一致性可以根据以上4个参数的匹配情况来衡量。电池均衡是指将单体电池间的SOC尽可能地拉近，从而使电池容量最大化。电池均衡仅强调一个重点，即SOC一致性。为此还会对第二个参数“自放电”进行补偿。电池均衡工作可能还会在一定程度上受到第三个参数“单体电池内阻”的阻碍。电池均衡工作中并未考虑的是第4个参数——容量。
2.2动力电池平衡措施的应用
在保证单体电池不会过充的前提下，留出更多的可充电空间。平衡程序使得所有单体电池都有相同的荷电状态（SOC）。由电池管理系统（BMS）实施，平衡可以为主动方式（能量传递于单体之间）或被动方式（能量通过释放热能而有所损失）。如果不加平衡，因流经电池组所有串联单体（或并联模块）的电流相同，所以放电深度（DOD）的变化也在同一速率。BMS通过对具有不同于电池组电流值的单体或模块处理来平衡电池组，方式有以下几种：
（1）从充电最多的单体电池中取电，为充电电流留出空间，使其他单体电池充电更加充分。
（2）旁路一些或所有的充电较充分单体电池的充电电流，使得充电电流可以进一步对其他单体电池进行充电。
（3）使得充裕电流对充电最少的单体电池充电。
2.3动力电池均衡算法
（1）基于电压法，基于电压的均衡算法最简单，该方法要求相同电压的单体电池具有同样的S0C，但只有在仅关注开路电压时这才是对的，而开路电压和端电压通常不同。具体算法：充电时，将电荷从电压值最高的单体转移走。这种方法的问题在于，由于电池内阻引起的电压降，而导致充电时的端电压比内部电压要高，而不同单体电池的内阻不尽相同。即使所有单体电池端电压在充电期间都相同，其等效开路电压也将不同（由于内阻不同），因此导致SOC水平不同。
这种算法的局限性是可以克服的。如果BMS能获取每个单体电池的内阻值，则可以通过电流与电阻的乘积计算电压降，继而与端电压做差计算开路电压。BMS可以分时段地停止充电，允许单体电池端电压降至开路电压，并直接测量开路电压。
（2）基于末时电压法，基于末时电压的均衡方法是最常用的算法。算法运行效果良好但是比较耗费时间。该方法与上述基于电压的方法类似，不同的是该方法不是工作于全过程，而是只工作在充电末期（在顶端）。该算法为：当某单体电池电压超过门槛值时减少其能量，这种方式的优势在于能够避免电压-SOC曲线中段的平台期，在平台期内电压无法作为辨识SOC的参数，而在充电末端电压对SOC的影响较为显著。末时电压算法的问题在于当单体电池电压很高时，留给启动均衡措施的时间不多