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新型充放电均衡一体化电池管理系统研究


第26卷第5期
2012年5月

电子测蜃与仪器学报
joURNAL oF ELECTRONlC MEAsUREMENT AND lNSTRUMENT

眦26

No.5

?431?

DoI:10.3724/SP.J.1187.2012.00431

/>
新型充放电均衡一体化电池管理系统研究半
王占国 丈锋盛大双李索字
(北京交通大学电气工程学院,北京100044) 摘要:电动汽车串联动力电池组的不一致问题.使得成组电池在容量利用、使用寿命及安全等方面的性能远不及单体电
池。分析了电动汽车动力锂电池组不一致产生的原因,以及现有均衡方案存在的问题。提出了一种基于SOC的新犁充放电均衡 一体化电池管理系统(BMS)方案,并依据车载在线均衡要求没计丁均衡硬件电路。实车验证表明,通过均衡模块作用整组电池的 可用容量提高j,1.2%,降低了电动汽车电池的使用和维护成本。 关键词:电动汽车;锂电池组;一致性问题:SOcI均衡 中图分类号:TM912.4,TN99 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:470.4017

New battery management system of integrated and discharging balance

charging

Wang Zhanguo

Wen Feng

Sheng Dashuang

Li Suoyu

(School of Electric Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,Chma) Abstract:Battery’S inconsistency of power baRery pack connected in series
to

Call cause

the group battery far inferior
are

single cell

on

available capacity,service life and security.The
are

reasons

of the battery pack inconsistency

analyzed in

this paper.The issues of the traditional battery equalization which integrates charging and discharging balance based

also addressed.A new battery management system(BMS)

on

the SOC balanced strategy is proposed.And the online bal?

ancing hardware circuit iS designed according to the vehicle requirement.The experimental results demonstrate that the available capacity of the battery pack is increased by 1.2%with the proposed BMS.the application and maintenance cost is

reduced.Therefore

it provides the technical

support

for the development of electric vehicles.

Keywords:electrical vehicle;lithium-ion battery pack;consistency;SOC;equalization

1引言
随着电池技术的发展,锂离子动力电池以其能 量密度高、功率特性好、寿命长等方面的良好性能 成为新一代电动汽车的理想动力源…。为了满足电动 汽车的能量和功率需求,往往是由单体电池通过串 并联形成动力电池组供车辆使用。由于电池之间存 在容鼍、SOC、内阻等不一致的问题,使得成组电池 在容鼍利用、使用寿命、安全性等方面的性能远不 及单体电池。具有高效均衡管理功能的电池管理系 统能够大幅提高动力电池组的整体性能、有效的延 长电池组的使用寿命、大大降低整车的使用和维护
本文于2011年12月收到。

成本。为安全、高效、实用的电动汽车的推广提供有
力的技术保障。

目前.电池管理系统在电池在线监测、状态评 估、充电管理、数据通信、控制策略等方面都取得 了一定进步,但电池组高效均衡技术方面的研究还 处于起步阶段。均衡技术研究分为均衡控制策略和 均衡电路拓扑设计及硬件实现方式[2-312个方面。实际 应用的在线均衡策略以电池外电压作为控制对象, 由于外电压不能有效的反应电池的实际内在差异, 所以均衡效率和效果均不理想:在硬件方面主要采 用电阻旁路放电均衡,均衡电流受到发热量的限制 而很难提高。文献[3leo提到的均衡拓扑结构在实际

‘基金项目:国家“863”计划(编号:2011AA05A108)及国家科技支撑计划(编号:2011BAA07807)。

万方数据

?432?

电子测量与仪器学报

第26卷

使用中存在效率低、控制复杂、可靠性较低的问题。
本文从电动汽车动力锂电池组的一致性分析人

衰减度来衡量。所以一致性问题也会影响到电池组 的使用寿命。 2)功率输出方面。电池组的功率输出能力与电

手,提出一种新型充放电均衡一体化的电池管理系
统方案。实验结果表明了该方案能有效提高电池组 整体使用性能。

池的容量以及SOC密切相关,动力电池成组使用时, 容量最小以及SOC靠近两端的电池限制了电池组的 充放电电流和功率输出能力,从而影响到电动汽车 的使用性能。此外,电池组出现一致性问题时,直流
内阻或者极化电压大的单体电池制约着电池组的功


2.1

电池组一致性分析及均衡策略
电池组不一致产生的原因

电池组的一致性问题是指在电池组内串联单体 电池之间在容量、内阻、SOC等方面的差异性,这直 接决定了整组电池的使用性能,从而影响到电动汽
车的动力性和续航里程。造成电池不一致的主要原 因包括: 1)生产过程产生的不~致:电池生产工艺及材

率输出,并且会导致电池组的能量利用率下降。
3)电池组状态识别方面。主要是指电池组的

SOC估算受到一致性问题的影响.SOC定义为剩余 电量与最大可用容量之间的比值。当单体电池之间
的容量和SOC存在差异时。电池组的最大可用容量

一直在发生变化,使SOC的估算变得十分困难,估 算的精度也得不到保证叫。
2.3均衡控制策略 如上所述,由于电池的不一致性来自于电池内

质的差异性,造成电池之间在初始容量、直流内阻、 自放电现象和充放电效率等性能方面存在差异。 2)电池初始性能参数的差异在使用过程中形成 累积。主要包括自放电现象和充放电效率,随着使用 时间和充放电次数的逐渐增加,这些参数的累积差 异将使电池组的一致性变差。
3)电池初始性能参数的一致性问题在使用过程

阻、容量和SOC,而传统一致性评价方法和均衡方式
以外电压一致性作为控制目标并没有有效的提高电 池组的可用容量,所以也不能改善电池组一致性问

题对成组电池使用造成的不良影响pqI。 由于直流内阻、极化电压、最大可用容量为电 池的特定参数,在一次或连续的几次充放电过程中
基本不发生变化,所以电池组的均衡主要通过调整

中被放大。如初始容量存在差异时,容量小的单体电
池其电流接受能力较差,在充放电电流相同的情况

下,该电池的衰减速度势必将大于容量大的电池, 如此出现恶性循环,将导致电池组一致性问题被加
速放大。

各单体电池的SOC来实现。经研究,以SOC作为均 衡的参考对象,均衡对象相对固定,充分利用均衡 时间,提高均衡利用率来降低均衡电流容量。 以电池的SOC为控制对象,通过对单体电池充 放电的方式来缩小电池之间SOC的差别。首先需要 确定均衡目标.通常为了提高均衡的效率以及充分
发挥充放电均衡的优势,将该目标设定为电池组的

4)电池使用环境的差异对电池组一致性问题存
在较大影响。如电池组用作电动汽车动力源时,由于 车内通风情况不同,导致电池箱内部热场分布不均

匀,各电池的工作温度之间会存在差异,这将导致 电池的性能以不同速率衰减,最终加大了电池组的
一致性问题H刮。 2-2不一致对电池组性能的影响

平均荷电状态值(丽匠)。并同样设置均衡控制带 (dSOC)来防止均衡的波动(如图l所示),对于SOC偏 高的单体进行放电均衡,反之则进行充电均衡。然后 可以利用各只电池SOC与丽E之间的差值(ASOC) 以及额定容量(QR)计算出每节电池所需的均衡容量,
通过计量容量的方式来完成均衡。该均衡策略判断 流程如图2所示。

不一致对电池组性能的影响主要表现在: 1)容量利用方面。充电过程中部分电池先充满
电而其他电池未达到满充状态,从而导致电池组通

过充电存储的容餐减少;同样在放电过程中,部分 电池先放完电而其他电池仍存在剩余容量,从而导
致电池组存储的容量没有得到充分利用。所以一致

基于SOC均衡策略不仅能够实现提高电池组容
量利用率的目的,同时还解决了一致性问题对电池组

性问题会造成电池组在使用过程中可用容量下降的 问题。同时电池组的使用寿命往往以电池组的容量

状态识别影响的问题。由于均衡过后各电池的SOC

万方数据

第5期
放电均衡

新型充放电均衡一体化电池管理系统研究

?433?

&孵
爱)C斗ASDC

化驾驶和充电管理,并在充电阶段根据均衡算法对 电池组进行充放电在线均衡‘墨121。



Soc一&;cIC

电池编号

图1基于¥0C均衡原理
Fig.1 Schematic ofbalance based OB SOC

图3电池管理系统原理

№.3

Schematic of battery management system

3.2电充放电一体化均衡原理介绍

充放电均衡模块主要由充电和放电2个均衡模 块组成,参见图4。充电均衡电路是通过变换器将整 组电池的能量转移到单体电池,采用多级变换结构, 利用可控开关将SOC较低的单体电池连接至充电均 衡电路实施充电均衡。为了能够对均衡的容量进行 计量,充电均衡变换器工作在恒定电流模式。放电均 衡电路将SOC高的电池能量通过转移或消耗的方式 实现SOC调整。为了简化均衡电路的设计,本系统 放电均衡电路采用电池对电阻直接放电的方案。考 图2均衡策略软件流程
Fig.2
Flow chart of balance strategy software

虑到放电电阻的散热闯题,放电均衡的电流选择在 30mA左右【Ⅲ51.
屯载 电瓶 光继电器

趋于一致,所以电池组的¥0C就等于容量最差单体 电池的sDc'通过这种方式来修正SOC可以大大降 低电池组SOC的估算复杂程度。



3充放电均衡一体化电池管理系统
3.1电池管理系统原理介绍 如图3所示,电池管理系统主要由单体电池电 压检测模块、均衡模块、电池温度检测模块、电流 检测模块、CAN通信接口、MCU及其他外围电路单 元组成,分别完成电池组单体电压检测、均衡管理、 温度采集、电流采集、CAN通信等功能。电池管理 系统通过对采集到电池电压、温度及电流数据进行 实时在线分析以评价电池组当前的工作状态,并通 过CAN总线告知整车、充电机或其他控制器实现优



耋 萋



糯DC mA[


选通组食

U=‘


、J 垦睡



图4充放电均衡模块
Fig.4 Block ofcharging and balance module

discharging

3.3均衡算法 基于SOC的均衡策略是通过减小电池之间的

万方数据

?434?

电子测量与仪器学报

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SOC差异来实现电池组均衡,从而提高电池组容量
利用率。验证如下:

%一。嘲一如一一【小】≥Q钾【七】≥‰一一【m卜
Q出h—M嘲 组的容量利用率仉达到最大化。 3)当电池胛并非首先充满电,即幺^一。。。[mI≠
(3)

在实际使用过程中电池的状态分布有如下几种
情况:

均衡过后电池组重新满足条件式(1),此时电池

1)当电池m实现的了满充电和满放电,即满足

如一。【m】-Q:!;|一。且‰一懈【m]_比一螂时,此
n四

Q曼一一时,就存在电池f,使得如~。【f】_醒~。。
首先需要低电池m进行均衡。使其满足首先充满电 的条件,则电池m需要的均衡容量为Qeq[ml,满足:

时电池组的容量利用率优2jQm虹x[m]2
需要均衡。

l,所以爿f-不

2)当电池m首先充满电,但是并非首先放完电,

‰一。。。F1一‰一一【珑I≥Q叼【州】≥
如一一[m卜如。【f】

f乱

即如一。[历】_璐一一且‰一。【m】>醵一。,显
然仉<1。那么对于任意一只电池t假设其充电均 衡的容量为Q叼俸】,贝lj有: ①为了让电池m先于它充满电,则有:
(1)

在此基础上,电池所已经满足条件式(2),所以 对于电池组内其他电池女,可利用式(3)计算出其所
需的均衡容量关系:

Q钾Ⅲ≤如一一【盘卜如一一【历】
②为了让电池m先于它放完电,则有:

Q明一max[kl+Qeq…一Qch_max[m]t>Qeq[kl>t。 例
。。

Qq嘲≥Qdch—M【m卜%一嘲㈨
所以满足:

(2)

Q‘’【m】+Q出^一max【,,l】一‰一max[kl
综上所述,基于¥0C均衡策略通过调整各电池

开始


停止充放电均衡 计时标志位清零



-’‘-\善否正在均

7是否充电\.!
心衡o.05e且/

均衡标忐位清零

Y徐 —\均衡I、日J嚏
0 N

\/

/均衡容鼍 ‘\毒小是否lF 、、/


行需要均衡


划读旺随
N Y-

是香放电均宿、型
\0.05Ah//

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\彳
间隙标志清零 均衡状态标忐清 均衡结束 均衡允i午标志 出口

竖嬲 到酝
确衡1●_1锄溘

停止充放电均衡 均衡标志位清零 l瑚隙标志置1

....。....。.......!l!...........一
均衡容量减l 写入EE

图5均衡算法软件实现流程
Fig.5 Flow chart of balance algorithm

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第5期

新型充放电均衡—体化电池管理系统研究
电池,2004.349(8):279-281.

的soc,实现提高电池组容量利用率的目的lq。图5 是均衡策略软件的实现流程图。

WANG蠲E SUN F CI-I.study
279.281.

on

tile

atte删led mode of

the EV battery pack[J].Battery Bimonthly,2004.349(8):

4实验数据分析
【2】

雷娟,蒋新华,解晶莹.锂离子电池组均衡电路的发

为了验证均衡策略的性能,将该方案集成到电 池管理系统安装到180 All的磷酸铁锂离子电池纯电 动大巴上进行实车测试。2011年7月份和10月份电 池的恒压恒流充电曲线参见图6。
f3】

展现状们.电池,2007(I):62嗣.
LⅡJ.Ji姐g X It,XlE J Y The stains quo of devdo-
pment of

epualization circuit for Li?ion

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CltEN

Slt只翻ANG

analysis

and珥删叽management

J.Ef啪Y M。或a1.1'eeuliarity
of pOWer batter-

ics们.Cllincslo Battery ilKlu3ny.2003(8):265?27l- 【4】

王震坡,孙逢春,林程.不一致性对动力电池组使用寿

命影响的分彻.北翱整日浮学抿加嘶'26(7)'-577-
5∞.
WANG Ztt E SUN F CI-l,LIN Cl-l,An analysis
On

tlac

圉6
Fig.6

7月与lO月电池运行教据
op既aii咖data in
July and October

ilffltlet髓of
banery

inco傩isteDe.e 1|p∞the sevic圮life of povlcr
lll皿itute

Battery

packs[J].B蜘illg

of

Tedmology.

2006,26(7):577-580.

分析可知: 1)经过3个月的运行,通过均衡模块作用,单 体电池的充电曲线基本趋于一致。充电末端的最高 单体电压和最低单体电压之间的压差减小约40m、r。 电池组的单体电池之间的一致性得到了改善; 2)7月份充电结束时最低电池的SOC为97.6%。 而lO月份充电结束时最低电池的SOC升高到98。8%, 整组电池的可用容量提高了约1.2%。即通过均衡管 理,整组电池的可用容量和利用率得到明显提高。



王震坡,孙逢春,张承宁.电动汽车动力蓄电池组不 一致性统计分析哪.电源技术,2003,27(5):438-441.
WANG 7_,It E SUN

F魄墨IANG
velaicle

in∞脚匠s锄谚of
JotmlaI ofPower

electric

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文锋.纯电动汽车用锂离子电池组管理技术基础问题

研究删.北京:北京交通大学,2姒
粥琳E
study
011

basic issues of.the Li-ioll

llma辨mcnt tcelmolo盯tot 川

nI地圈础VelaieleslD].

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田锐,秦大同。胡明辉.电池均衡控镧策略研究【刀.重 庆大学学报:自然科学J瓯2005f/):1-4.
TIAN R'Q啉D

5结论
本文针对当前电池管理系统在电池在线均衡存 在的技术瓶颈,提出了基于SOC的电池均衡控制策 略及充放电均衡一体化的电池管理系统解决方案, 实车测试验证了该方案能有效的改善电池组一致性,

h慨i舶hl曲∞田.Jomal a暇吨IJllmity-
of
lKlatm'al

T'咖M

tt.Controlling strategy

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提高电池组容量利用裁提高电池组整体性能。今后
的研究可以对电池的均衡控糊带的大小进行优化, 在电池控制带缩小和电池均衡波动性之间的关系做细

257. GUDHYⅡANG

JCl毛W翻JE矗面.№wmethodof

imulation d刨ec6∞for

el锄ieal

vchidelJ].Joumal of

目凹蜘血ic
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Meam'm眦And

化研芄实现参数的优化选择进一步提升均衡性能。
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packs[C1.Vehicle Power and Propulsion

Conference。VPPC'09。IEEE,2009;175.180.

管理系统研究【J】.仪器仪表学报,2007,28(8):1522—
1527. LI D

G LI J CH,U J L.Research of dectric vehicle

作者简介:
王占国:1970年出生。北京交通大学电气工程学院博士 研究生。目前主要研究方向为电动汽车动力电池管理系统与 动力电池成组技术。 E-mail:zhgwang@bjtu.edu.cn Wang
sent

Li—ion battery energy management Journal ofScientific

systemlJ].Chinese

Instrument,2007,28(8):1522-1527.

【121王友仁,崔江,刘新峰.直流系统在线绝缘检测技术 研究阴.仪器仪表学报,2005,26(8):849—852.
WANG
Y R.CUlJ。LIU X E Online insulation detection for DC distribution sys.

Zhanguo:born in

1970,Ph.D.candidate in School

and earth point fault location

of Electrical Engineering,Beijing Jiaotong University.His pre?
research interests include EV baaery management system

tem[J1.Chinese Journal of Scientific Instrument,2005。 26(8):849—852.

and power battery group technology.

泰克推出CALwEB固6.0版本
在线校准管理系统提供更高可视性和更强功能

泰克公司日前宣布。推出其CALWEB锄在线校准管理系统的6.0版本。CALWEB睁6.0为客户提供了针
对其测试和测鼍资产的更高可视性,并降低了其校准管理项目相关的总成本。 CALWEB四6.O功能增强

CALWEB婶是业内先进的在线校准管理系统。客户可每周7天、每天24小时在线获得校准证书、资产 列表、详细服务历史、工作进程、计费和支付信息、及更多内容。6.0版有着显著的功能增强,包括优化过 的用户界面,和集合了帮助客户管理跨多地点、多地区测试和测量仪器数据的复杂“全球”视图。其他功能 更新包括;带有仪器指标超差(OOT)跟踪的增强匝板、高级数据过滤、由用户控制的服务历史和资产细节 的视图、以及针对客户现场实验室的仪器进入实验室的登记功能。 泰克公司服务方案事业部市场副总裁David Carew.Jones表示:“CALWEB锄的卓越价值体现在——为客 户提供了管理仪器校准项目所需的每项重要信息。它提供了大多数校准管理项目无法比拟的众多先进功能。 我们在客户需求的驱动下,对CALWEB固进行持续不断的改进。通过鼓励CALWEB用户提供意见和建议, 该系统已成为我们服务于客户的一项重要商业工具。”
关于CAL3VEB睁

CALWEB@为泰克客户提高了管理校准证书流程的可视性,使它们能够轻松管理其所需校准的仪器校准, 监测每项单独服务事件的进度,保留所有过往校准和维修活动的在线历史,并提供对所有未来校准需求的可 视性。泰克公司目前有6,000多个客户在使用这个操作简易的校准管理系统。欲知有关CALWEB@的更多信 息或申请登录,请访问service-solutions.teklronix.corn/o

万方数据

新型充放电均衡一体化电池管理系统研究
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 王占国, 文锋, 盛大双, 李索宇, Wang Zhanguo, Wen Feng, Sheng Dashuang, Li Suoyu 北京交通大学电气工程学院,北京,100044 电子测量与仪器学报 Journal of Electronic Measurement and Instrument 2012,26(5)

本文读者也读过(3条) 1. 董津生.李盘忠.闫立国.张晓烽 主动均衡技术的研究与实现[期刊论文]-电动自行车2012(4) 2. 王占国.龚敏明 动车组钛酸锂电池管理系统[期刊论文]-中国铁路2011(12) 3. 郑翔.戴曙光.崔雪.ZHENG Xiang.DAI Shu-guang.CUI Xue 电动汽车锂离子电池组电压巡检系统设计[期刊论文 ]-电测与仪表2012,49(4)

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzclyyqxb201205009.aspx


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