0 引言

　　锂离子蓄电池具有能量密度大、稳定性高等优点，但是其独立单体的电压和容量都较小，无法满足机载、车载等工况需求。因此，成组方式使用是各种工况下供能的发展趋势。但是，由于生产中无法消除的单体间差异，单体之间容易出现电压和容量不平衡情况，进而引发燃烧等安全问题，严重制约其推广应用。

　　针对该制约锂电发展的核心技术问题，国内外科技工作者均展开了相关技术研究，如黄勤等人对锂电池组能量均衡的模糊-PI控制研究[1]，Mestrallet Fabien等人基于多相交错转换器实现的锂电池主动均衡研究[2]，及其他研究人员针对均衡问题展开探索性的研究[3-9]。同时，针对锂电池均衡的关键因素检测与估算(如单体SOC、电压等)，尚丽平、Wu Billy[10-12]等人进行了较为广泛的应用研究和方法探索。但是，针对这两个关键因素的综合评价和均衡路径决策问题仍缺乏较为有效的解决方案。为解决这一问题，本文基于最佳优先进行了锂离子蓄电池组均衡策略研究，并基于锂电池组对单体充电以及单体对锂电池组进行反激式放电的思想实现了主动均衡调节。

1 单体间最佳优先均衡策略研究

　　锂电池根据正极材料的不同分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等类型。钴酸锂由于具有能量密度高等优点，已在机载等领域进行推广试用。单体间电压和容量均衡等安全可靠性问题的解决将对其推广起到重要的积极作用。

　　1.1 单体不平衡成因分析

　　锂离子蓄电池通过放电过程向外部提供电能，两个电极经过负载连接构成闭合回路，在两个电极之间电势差的作用下，电子从负极移向正极，同时，锂离子蓄电池内部，锂离子从负电极经电解液、隔膜移至正电极，直至正电极富锂态或负电极贫锂态达到饱和状态。钴酸锂充放电过程中化学反应方程式如式(1)所示。

　　锂离子蓄电池通过上述充放电过程中化学能和电能的相互转化实现储存电力和向外提供电力的应用目标。制备过程中，由于材料和制作工艺无法消除的单体间的差异，成组工作时在充放电过程中存在单体间的不平衡状况，尤其是经过长期使用后，这种不平衡状况会更加明显。

　　1.2 最佳优先选择

　　本文通过研究锂离子蓄电池单体荷电状态(State of Charge，SOC)及端电压(Terminal Voltage，TV)的综合评价方法，基于最佳优先思想，确定目标均衡单体及其均衡条件速率。

　　在选择不平衡单体与评价其不均衡度的过程中，本文通过计算锂离子蓄电池组总体不平衡度(Overall Comprehensive Imbalance Battery Degree，OCIBD)和单体不平衡度(Individual Imbalance Degree of Battery x，IIDBx)，达到最佳优先选择目标，实现所有锂电池单体中综合不平衡度最大的单体的确立以及不平衡度值的计算。锂离子蓄电池组单体均衡最佳优先选择及均衡调节基本流程如图1所示。

　　1.3 综合不平衡度计算

　　考虑影响平衡状态的SOC与TV两大要素，构建锂离子蓄电池单体不平衡度推理计算网络如图2所示。

　　图2中，OCIBD代表电池组总体不平衡度；IIDBx表示第x个锂电池单体的不平衡度；SOCx表示第x个锂电池单体的荷电状态(State of Charge)；TVx表示x单体端电压(Terminal Voltage)；CF(M，N)表示由M到N推理规则的可信度因子(Credibility Factor)。

　　(1)总体不平衡度计算

　　通过计算总体不平衡度(OCIBD)实现决策处理，OCIBD是锂离子蓄电池SOC及TV的不平衡度的综合评价，通过不确定性推理得到。各个单体对综合不平衡度的影响程度计算过程如式(2)所示。

　　CFx(OCIBD)=CF(OCIBD，IIDBx)×max{0，CF(IIDBx)}

　　(2)

　　其中，x表示单体的编号。所有单体的综合不平衡度计算过程分3种情况，进而逐步不平衡度影响效果叠加，不同情况计算过程如式(3)～式5所示：

　　通过各个单体不平衡影响程度复合计算，获得锂电池组综合不平衡度CF（OCIBD），判定锂离子蓄电池工况状态及其工作是否正常，并根据不平衡度判定锂电池处于充电、放电或搁置状态。待确定出锂电池工况状态后，再根据不平衡程度量度值大小进行非正常工作时的保护限判定，以防止过度不平衡现象以及由此而引发的自燃现象。

　　(2)单体不平衡度计算

　　SOC和TV是单体综合不平衡度计算的两个主要参数。单体综合不平衡状态及其量度值是均衡单体选定以及能量转移方向确立的主要依据。本文通过单体综合不平衡度值的计算，再基于最佳优先选择思想，确定出不平衡工况状态下的单体间的均衡路径以及需要均衡的速度和方向。各个单体不平衡度CF(IIDBx)计算过程如式(6)～式(8)所示。

　　式中，m表示单体编号，CFm1(IIDBx)和CFm2(IIDBx)分别表示第m个单体的荷电状态SOC和TV对单体不平衡度的影响程度，计算过程如式(9)所示。

　　CFm1(IIDBx)=CF(IIDBx,SOCx)×max{0，CF(SOCx)}

　　CFm2(IIDBx)=CF(IIDBx,TVx)×max{0，CF(TVx)}(9)

　　式中，CF(IIDBx,SOCx)和CF(IIDBx,TVx)分别表示SOC和TV对单体不平衡度的影响程度(权重)，初始值为1，经过不同值实验调节效果验证后进行0～1之间的权重值确立。

　　(3)均衡决策

　　根据综合不平衡度的工况状态与不平衡状态的判断与确立，综合状态判定及安全保护限制后，在正常状况下，根据最佳优先思想决策出第x个单体需均衡调节。最后，根据单体不平衡度绝对值|CF(IIDBx)|大小确定能量转移的快慢程度，根据值的正负确定能量转移方向。

　　2 均衡系统设计与实现

　　锂电池单体电压和容量均较小，多数情况下，独立单体难以满足现场工况需求，因此，需级联成组进行工况应用，某型号锂离子蓄电池级联基本结构如图3所示。图中标号分别代表：1 单体蓄电池；2 温度开关；3 跨接板；4 弯跨接板；5 电源正极；6 插座；7 跨接板；8 电源负极；9 半电压连接片；10 温度传感器；11 跨接板。

　　根据最佳优先均衡策略实现锂离子蓄电池主动均衡调节，设计锂离子蓄电池组主动均衡系统，实现其供能过程中的单体间平衡调节，设计的锂离子蓄电池主动均衡调节系统(Battery Management System，BMS)总体结构如图4所示。

3 实验分析

　　3.1 容量变化实验

　　在不同的温度条件下，以不同的放电倍率对某型号锂离子蓄电池进行恒流放电实验。记录该锂电池从充满到达终止状态过程中放出的电荷量总值，并进行归一化等实验结果分析。实验结果表明，在温度值为0 ℃以上的环境条件下，锂电池容量随温度变化缓慢。而在温度小于0 ℃时，锂电池的容量随温度降低衰减明显。如1C放电倍率下温度对放电容量的影响，实验结果如图5所示。

　　3.2 电压变化实验

　　通过对不同放电倍率(9 A、12.5 A、22.5 A、45 A、90 A、

　　180 A、225 A)放电实验，得到不同条件下放电过程中的电压变化规律并进行归一化拟合，找到整体变化规律，不同放电倍率下的归一化放电电压特性曲线如图6所示。

　　通过上述工作机理分析及基础实验研究，本文基于SOC和TV两个重要参量进行综合不平衡程度评价方法探索，进而实现对锂离子蓄电池主动均衡系统的设计与实现，最终实现锂离子蓄电池供能中单体间不平衡状况的均衡调节。

　　3.3 均衡调节实验

　　在不同工况下锂电池主动均衡时，研制的电池管理系统实时采集锂电池参数值，经过抗干扰处理后经A/D采样至处理器，通过最佳优先策略进行SOC和TV的主动均衡调节，检测参数精度与范围指标如表1所示。

　　通过最佳优先均衡方法的提出和研究，以及基于SOC和TV综合影响程度估计，并把该值作为参考依据，实现了单体最佳优先选择。通过实验室不同放电倍率及温度条件下的均衡调节实验验证，实现了不同工况下的锂离子蓄电池组实时主动均衡。

　　4 结论

　　基于最佳优先方法，把剩余容量(SOC)和端电压(TV)综合不平衡估计值作为均衡基准值，提出了一种锂离子蓄电池组最佳优先均衡方法。基于该方法和均衡策略研制了车载锂离子蓄电池组BMS，用于单体间均衡调节。该方法能够在不同工况下取得较好均衡调节效果，有效保证锂离子蓄电池组安全供能，为其可靠供能提供有益探索。

　　参考文献

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