学术简报｜新型锂离子电池主动均衡控制系统，能量回收率达到69.2%
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广东海洋大学电子与信息工程学院的研究人员于跃、林聪、张恒，在2019年第8期《电气技术》杂志上撰文（论文标题为“基于荷电状态的锂离子电池主动均衡控制系统的研究与实现”），为了解决动力电池组能量不均衡的问题，本文设计了锂离子电池主动均衡控制系统。系统由主控芯片TMS320F28335、检测电路、DC/DC电路、均衡电路、驱动电路等组成。
系统利用无迹卡尔曼滤波算法实时估算锂离子电池组的荷电状态，设计基于电池特性的储能电感式均衡电路，以模糊-PI控制算法调制PWM信号以实现电池组能量的主动均衡。搭建均衡控制系统的硬件实验平台，实验结果达到了预期目标。
为了保障足够的输出电压和输出功率，动力电池组通常由很多节单体电池串、并联组成。由于现今制造工艺的限制，各单体电池的相关参数存在很大差异，且随着电池组使用次数的增加，这种差异更加突出，直接导致各单体电池间容量的不一致，使得工作中容量较大的单体电池欠充欠放，容量较小的单体电池过充过放，造成能量浪费，加速电池组老化，缩短电池组寿命，甚至引发爆炸等安全事故。
利用均衡控制技术使电池组内各单节电池荷电状态（state of charge, SOC）趋于一致，可以提高动力电池组的能量利用率，减小电池组使用耗损，保障整个用电设备的运行安全。
目前，对电池组均衡控制的研究很多，也各有优劣。
有学者采用能量耗散的方式实现均衡。这种方式优点是控制简单，而缺点是能量消耗和热管理的问题。
有学者以开关元件和储能电容实现能量的转移。这种方式优点是构造简单、控制策略容易，缺点在于均衡判据不准确，均衡精度低和均衡效率低。
有学者以电感为储能元件实现电池组内能量的转移。该电路优点是扩展性高，缺点是均衡控制策略复杂，能量流动范围小，均衡控制效率低。
有学者通过变压器的互感原理实现能量的转换。这种方式的优点是充电和均衡同时进行，控制简单，缺点是变压器均衡能量损耗较大，能量利用率较低，占用空间较大。
有学者通过电池管理芯片进行能量的均衡，这种方式的优点是系统稳定性较好，集成度较高，缺点是管理策略单一，能量利用率有限。
综上，本文设计了一个基于SOC的锂离子电池主动均衡控制系统，该系统由主控电路、检测电路、DC/DC电路、均衡电路、驱动电路等组成，用无迹卡尔曼滤波（unscented Kalman filter, UKF）算法实时估算的锂离子电池组的SOC作为均衡判据，用模糊- PI算法调制PWM信号以调制均衡电流，实现电池组能量的主动均衡。并搭建了由四节磷酸铁锂电池串联的主动均衡控制系统的实验样机进行效果验证。
图1 系统总体结构图
针对锂离子电池组能量不均衡问题，本文设计了一种主动均衡控制系统，实现了电压、电流的检测，UKF算法估算各节锂离子电池的SOC及电池组的均衡控制。该系统以SOC为均衡判据，当任一节电池间SOC与电池组平均SOC差值大于2%时开起均衡控制。
通过搭建由4节磷酸铁锂电池串联的电池组主动均衡控制系统的硬件平台测试了系统的均衡效果，能量回收率达到69.2%。由于电感储能回路上不能断流，该系统的稳定性尚需进一步优化。