综述
电动汽车串联电池组电压均衡系统研究进展
沈
聃，夏正鹏，倪红军，袁银男，廖
萍
(南通大学机械工程学院，江苏南通226019)
摘要：电动汽车的性能和成本很大程度上取决于动力电池组的性能和使用寿命，而电池组的性能和使用寿命又受到电池组均衡系统的影响。综述了电动汽车串联电池组的主要均衡方法，列举了国内外对于ＳＯＣ预测和电压测量的常用手段，分析了国内外车用串联电池组电压均衡电路，并展望了其发展方向。关键词：电动汽车；动力电池；串联；均衡电路中图分类号：ＴＭ９１２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１４）０２－０３９０－０４
ResearchprogressofequalizationchargingforEVtractionbattery
SHENDan,XIAZheng-peng,NIHong-jun,YUANYin-nan,LIAOPing
(SchoolofMechanicalEngineering,NantongUniversity,NantongJiangsu226019,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｓｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｗｅｒｅｄｅｐｅｎｄｅｄｌａｒｇｅｌｙｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋｗｅｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｂａｌａｎｃｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｅｒｉｅｓｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋｂａｌａｎｃｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ；ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｃｏｍｍｏｎｍｅａｎｓｆｏｒＳＯＣｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｎｄｖｏｌｔａｇｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｅｒｅｃｉｔｅｄ．Ｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｃａｒｓｅｒｉｅｓｂａｔｔｅｒｙｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚｅｒｃｉｒｃｕｉｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ；ｐｏｗｅｒｂａｔｔｅｒｙ；ｓｅｒｉｅｓ；ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ电动汽车技术的发展对车用动力电池性能提出了更高的要求。目前，单个动力电池在比能量、比功率、充放电效率、循环次数、使用寿命等方面难以满足使用要求，因此电动汽车动力大都由多块电池构成的电池组提供。电池成组的方式一般有串联、并联和混联三种。在同时满足输出功率的前提下，串联方式主要用于满足负载高压特性，多节单电池串成一组后电流相等，可通过电压反映各节电池运行情况。并联方式是为了提高输出电流，由于并联电池端电压始终相等，一方面存在自然均衡现象，因此部分能量会消耗在互相充电的过程中；另一方面，当电池组某单个电池电流发生变化时，其他电池电流也随着变化，从而使其电流均衡难以处理。混联电池包括并串联和串并联两种连接方式。可同时满足电压、电流要求，但是由于电池组工作时，其互充电电流和电池组整体放电电流方向相反，对电池组性能造成能量利用率和输出总功率下降等在串联不良影响。目前，车用动力电池组大都采用串联方式。
[1]
电动汽车行车安全。因此，针对串联动力电池组采取适当均衡方法来补偿电池间性能差异是非常必要的。
１电池组均衡方法
电池组均衡方法主要有容量均衡法、化学均衡法、荷电状态(StateofCharge,SOC)均衡法和电压均衡法。早期采用容量均衡法，这种方法以电池实际容量趋于一致为目的，采用浮充电压对电池组续充电，但由于该方法导致电池处于过充电状态，缩短了电池寿命，目前已很少使用。化学均衡法是通过电池内部化学反应达到均衡效果，Abraham.K.M等人[2]提出在锂电池电解液中添加一定比例氧化-还原电对的方法，抑制电池正极电位升高，避免电极材料和电解液氧化，提高电池抗过组中电压上升较快的电池充能力；Chen.J等人[3]经实验证明，其他电池还可正常充电，达到均衡充电效果。目不会被过充，
前该方法处于理论研究层面，距实际应用尚有一段距离。SOC均衡法是通过动态检测单体电池SOC，当出现SOC不一致时，自动启用均衡系统对电池充放电，直到达到相同SOC，实现电池组均衡。目前研究电池SOC估算有多种手段，如林成涛等人通过安培时间计量法[4]对负载电流积分估计SOC；高明裕等人研究的内阻法[5]根据电池内阻特性，通过试验建立直流内组或交流内阻与SOC的关系；国外V.Pop等人提出的开路电压法[6]简单易行，但需要电池长时间静置，不能满足实时在线检测要求；TsutomuY等研究的神经网络法[7]是在建好网络模型的前提下，依靠大量样本进行数据训练可以得到较好的精度；GregoryLPlett则采用卡尔曼滤波法[8]根据采集到的电压电流，由递推算法得到SOC最小方差估计；SOUARDIPM
组合应用中，由于各单体电池在初始容量、内阻、自放电率等方面不同使得电池间具有不同的充放电特性，并且电池在进行过多次充放电循环后还会扩大该种不一致现象，进而导致整组电池容量、输出功率减小，电池利用率下降。若不采取有效措施还会造成单体电池的过充电和过放电，这不仅损坏电池，还可能产生大量热量，引起电池燃烧甚至爆炸，严重影响
收稿日期：２０１３－０６－２１
基金项目：国家科技支撑计划课题（２０１１ＢＡＧ０２Ｂ１０）作者简介：沈聃（１９８８—），男，江苏省人，硕士生，主要研究方向为车辆电子及新能源技术。
通信作者：廖萍，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉａｏ．ｐ＠ｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１４．２Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．２
３９０
综述
等提出基于模糊基础规则(FRB)的系统[9]，利用温度、电流来计算库仑效率，再用安时法得出SOC值；由CEhret提出的线性模型法[10]以SOC变化量、电压、电流和前一时间点的SOC为基础，建立线性方程。上述SOC估算方法都有预估不精确、模型复杂，且在电动汽车变电流动态工况下存在缺陷等不足，所以应用起来面临诸多问题，有待进一步改进。
电压均衡法是以单体电池电压为均衡目标，通过均衡电电池组内单体电路使得电压趋于一致。2002年Krein[11]发现，
池在相同工况下的开路电压与其充放电状态和SOC几乎是呈线性关系，因此电压可以看作是电池SOC的表征量，并且随着对电池测量电路和芯片的不断改进，单体端电压测量精度已经达到很高的水平，对电池组SOC的均衡可以转化为通过精确的电压均衡来进行。所以现阶段电压均衡法在应用中更易于实现，应用最广泛。
美国凌立尔特公司、日本丰田例如德国KaiserseLautern大学、
公司等。很多公司也为此开发了专用芯片，美国Intersil公司最近研发一系列芯片ISL92OS/16/17可以做到最多12节串联小容量锂离子电池均衡。哈尔滨工业大学、上海交通大学等对电池均衡工作也做了比较深入研究。但总体而言，国内技术还有待进一步提高[18-19]。
对串联电池组均衡电路主要有两类方法：一是能量消耗即给电池组中每节单体电池并联一个分流电阻，将多容量型，
电池中多余能量消耗掉，达到均衡目的；二是能量非消耗型，即采用电感、电容作为储能元件，利用常见电源变换电路将多余能量在电池间进行重新分配，达到电池间能量转移[20]。
４．１能量消耗型
StuartTA[21]等研究的恒定能量耗散型一般有两种类型，
分流电阻均衡充电电路[图2(a)]和开关控制分流电阻均衡充电电路[图2(b)]。其中后者的分流电阻是通过开关控制的，在充电时，通过对单体电池电压的巡检，发现某节单体电池达到充电电压上限时，导通与其并联的单体均衡模块的开关，将多余的能量转化为电阻的热能。同时，未充满的电池仍然可以继续充电，直到充满为止。这种电路可靠性高、价格低廉，且电路结构简单。但是缺点是效率低下，无法控制分流电流，存在能量浪费和热管理的问题。
综述
电动汽车串联电池组电压均衡系统研究进展
沈
聃，夏正鹏，倪红军，袁银男，廖
萍
(南通大学机械工程学院，江苏南通226019)
摘要：电动汽车的性能和成本很大程度上取决于动力电池组的性能和使用寿命，而电池组的性能和使用寿命又受到电池组均衡系统的影响。综述了电动汽车串联电池组的主要均衡方法，列举了国内外对于ＳＯＣ预测和电压测量的常用手段，分析了国内外车用串联电池组电压均衡电路，并展望了其发展方向。关键词：电动汽车；动力电池；串联；均衡电路中图分类号：ＴＭ９１２
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２－０８７Ｘ（２０１４）０２－０３９０－０４
ResearchprogressofequalizationchargingforEVtractionbattery
SHENDan,XIAZheng-peng,NIHong-jun,YUANYin-nan,LIAOPing
(SchoolofMechanicalEngineering,NantongUniversity,NantongJiangsu226019,China)
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｃｏｓｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｗｅｒｅｄｅｐｅｎｄｅｄｌａｒｇｅｌｙｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｓｅｒｖｉｃｅｌｉｆｅｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋｗｅｒｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅｂａｌａｎｃｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋ．Ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅｓｅｒｉｅｓｂａｔｔｅｒｙｐａｃｋｂａｌａｎｃｉｎｇｍｅｔｈｏｄｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ；ｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｃｏｍｍｏｎｍｅａｎｓｆｏｒＳＯＣｅｓｔｉｍａｔｉｏｎａｎｄｖｏｌｔａｇｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｅｒｅｃｉｔｅｄ．Ｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｆｏｒｅｉｇｎｃａｒｓｅｒｉｅｓｂａｔｔｅｒｙｖｏｌｔａｇｅｅｑｕａｌｉｚｅｒｃｉｒｃｕｉｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｉｔｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｄｉｒｅｃｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｓｐｅｃｔｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｖｅｈｉｃｌｅ；ｐｏｗｅｒｂａｔｔｅｒｙ；ｓｅｒｉｅｓ；ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ电动汽车技术的发展对车用动力电池性能提出了更高的要求。目前，单个动力电池在比能量、比功率、充放电效率、循环次数、使用寿命等方面难以满足使用要求，因此电动汽车动力大都由多块电池构成的电池组提供。电池成组的方式一般有串联、并联和混联三种。在同时满足输出功率的前提下，串联方式主要用于满足负载高压特性，多节单电池串成一组后电流相等，可通过电压反映各节电池运行情况。并联方式是为了提高输出电流，由于并联电池端电压始终相等，一方面存在自然均衡现象，因此部分能量会消耗在互相充电的过程中；另一方面，当电池组某单个电池电流发生变化时，其他电池电流也随着变化，从而使其电流均衡难以处理。混联电池包括并串联和串并联两种连接方式。可同时满足电压、电流要求，但是由于电池组工作时，其互充电电流和电池组整体放电电流方向相反，对电池组性能造成能量利用率和输出总功率下降等在串联不良影响。目前，车用动力电池组大都采用串联方式。
[1]
电动汽车行车安全。因此，针对串联动力电池组采取适当均衡方法来补偿电池间性能差异是非常必要的。
１电池组均衡方法
电池组均衡方法主要有容量均衡法、化学均衡法、荷电状态(StateofCharge,SOC)均衡法和电压均衡法。早期采用容量均衡法，这种方法以电池实际容量趋于一致为目的，采用浮充电压对电池组续充电，但由于该方法导致电池处于过充电状态，缩短了电池寿命，目前已很少使用。化学均衡法是通过电池内部化学反应达到均衡效果，Abraham.K.M等人[2]提出在锂电池电解液中添加一定比例氧化-还原电对的方法，抑制电池正极电位升高，避免电极材料和电解液氧化，提高电池抗过组中电压上升较快的电池充能力；Chen.J等人[3]经实验证明，其他电池还可正常充电，达到均衡充电效果。目不会被过充，
前该方法处于理论研究层面，距实际应用尚有一段距离。SOC均衡法是通过动态检测单体电池SOC，当出现SOC不一致时，自动启用均衡系统对电池充放电，直到达到相同SOC，实现电池组均衡。目前研究电池SOC估算有多种手段，如林成涛等人通过安培时间计量法[4]对负载电流积分估计SOC；高明裕等人研究的内阻法[5]根据电池内阻特性，通过试验建立直流内组或交流内阻与SOC的关系；国外V.Pop等人提出的开路电压法[6]简单易行，但需要电池长时间静置，不能满足实时在线检测要求；TsutomuY等研究的神经网络法[7]是在建好网络模型的前提下，依靠大量样本进行数据训练可以得到较好的精度；GregoryLPlett则采用卡尔曼滤波法[8]根据采集到的电压电流，由递推算法得到SOC最小方差估计；SOUARDIPM
组合应用中，由于各单体电池在初始容量、内阻、自放电率等方面不同使得电池间具有不同的充放电特性，并且电池在进行过多次充放电循环后还会扩大该种不一致现象，进而导致整组电池容量、输出功率减小，电池利用率下降。若不采取有效措施还会造成单体电池的过充电和过放电，这不仅损坏电池，还可能产生大量热量，引起电池燃烧甚至爆炸，严重影响
收稿日期：２０１３－０６－２１
基金项目：国家科技支撑计划课题（２０１１ＢＡＧ０２Ｂ１０）作者简介：沈聃（１９８８—），男，江苏省人，硕士生，主要研究方向为车辆电子及新能源技术。
通信作者：廖萍，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉａｏ．ｐ＠ｎｔｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
２０１４．２Ｖｏｌ．３８Ｎｏ．２
３９０
综述
等提出基于模糊基础规则(FRB)的系统[9]，利用温度、电流来计算库仑效率，再用安时法得出SOC值；由CEhret提出的线性模型法[10]以SOC变化量、电压、电流和前一时间点的SOC为基础，建立线性方程。上述SOC估算方法都有预估不精确、模型复杂，且在电动汽车变电流动态工况下存在缺陷等不足，所以应用起来面临诸多问题，有待进一步改进。
电压均衡法是以单体电池电压为均衡目标，通过均衡电电池组内单体电路使得电压趋于一致。2002年Krein[11]发现，
池在相同工况下的开路电压与其充放电状态和SOC几乎是呈线性关系，因此电压可以看作是电池SOC的表征量，并且随着对电池测量电路和芯片的不断改进，单体端电压测量精度已经达到很高的水平，对电池组SOC的均衡可以转化为通过精确的电压均衡来进行。所以现阶段电压均衡法在应用中更易于实现，应用最广泛。
美国凌立尔特公司、日本丰田例如德国KaiserseLautern大学、
公司等。很多公司也为此开发了专用芯片，美国Intersil公司最近研发一系列芯片ISL92OS/16/17可以做到最多12节串联小容量锂离子电池均衡。哈尔滨工业大学、上海交通大学等对电池均衡工作也做了比较深入研究。但总体而言，国内技术还有待进一步提高[18-19]。
对串联电池组均衡电路主要有两类方法：一是能量消耗即给电池组中每节单体电池并联一个分流电阻，将多容量型，
电池中多余能量消耗掉，达到均衡目的；二是能量非消耗型，即采用电感、电容作为储能元件，利用常见电源变换电路将多余能量在电池间进行重新分配，达到电池间能量转移[20]。
４．１能量消耗型
StuartTA[21]等研究的恒定能量耗散型一般有两种类型，
分流电阻均衡充电电路[图2(a)]和开关控制分流电阻均衡充电电路[图2(b)]。其中后者的分流电阻是通过开关控制的，在充电时，通过对单体电池电压的巡检，发现某节单体电池达到充电电压上限时，导通与其并联的单体均衡模块的开关，将多余的能量转化为电阻的热能。同时，未充满的电池仍然可以继续充电，直到充满为止。这种电路可靠性高、价格低廉，且电路结构简单。但是缺点是效率低下，无法控制分流电流，存在能量浪费和热管理的问题。