2 电池智能均衡控制的建模

2. 1 单体电池的不均衡特性的建模

从对电池组不一致现象的分析来看, 电池组的不

均衡特性主要表现为电池组中单体电池之间能量的不
一致, 是单体电池之间能量差别的客观反映, 这种差别
越大, 电池组的不均 衡性越明显. 因此, 提出一种 基
于电池能量状态的串联电池组不均衡度

 的新概念来

表征电池组具有一定不一致程度的特性. 基于能量状
态 ( State of Energy, SOE)的串联电池组不均衡度是指
在电池组中的单体电池同步老化的前提下, 由于单体
电池之间能量状态的不同而导致工作能力不一致的程
度.

在数理 统计

[ 6]

和 实 际 经验 基 础 上 建立 了 基 于

SOE的串联电池组不均衡度模型. 式 ( 1) 和式 ( 2) 是描

述串 联电池组 整体不均 衡度的数 学表达式, 其 中式

( 1) 用于单体电池的数目为偶数的串联电池组, 式 ( 2)

用于单体电池的数目为奇数的串联电池组.

z

=

!

n /2

i= 1

(SOE

m ax

|

i

- SOE

m in

|

i

) /

n

2

,

( 1)

z

=

!

n
2

+ 1

i= 1

( SOE

m ax

|

i

- SOE

m in

|

i

) /

n + 1

2

.

( 2)

式中:

z

∀ ∀ ∀ 电池组整体不均衡度.

2. 2 电池能量分流充放电均衡控制的建模

由于电池的不均衡具有很强的随机性, 在电池组

中既有可能存在剩余能量低的电池, 也有可能存在剩
余能量高的电池, 因此高性能的均衡管理系统既要具
备充电均衡功能也要具备放电均衡功能. 可见, 如果均
衡系统仅有充电功能或仅有放电功能, 则很难达到理
想的均衡效果. 例如, 在电池组中, 假设仅有个别电池
剩余能量低于其他电池, 针对这些电池采用充电来均
衡无疑是最佳的均衡措施. 若均衡系统中只有放电均
衡功能, 则只能参照这些能量水平低的电池, 对大多数
已经处于均衡状态的电池放电, 不仅均衡时间长, 均衡
效率低, 而且如果对放出的能量不予高效回收又造成
能量的浪费, 也不符合电动汽车高 效节能的特点. 同
理, 假设仅有个别电池剩余能量高于其它电池, 针对这
些电池采用放电来均衡无疑是最佳的均衡措施. 若均
衡系统中只有充电均衡功能, 只能对大多数已经处于
均衡状态的电池充电, 均衡时间长, 速度慢.

基于上述考虑, 提出一种用于电动汽车串联电池

组中单体电池之间能量均衡管理的能量分流充放电控
制模型, 如图 4.

图 4 能量分流充放电控制模型的基本原理

在图中:

I

d is

∀ ∀ ∀ 用于均衡的放电电流;

U

d is

∀ ∀ ∀ 用于均衡的放电电压;

I

ch i

∀ ∀ ∀ 用于第 i只电池均衡的充电电流;

U

chi

∀ ∀ ∀ 用于第 i只电池均衡的充电电压.

上图表明了能量分流充放电控制模型中能量的流

动匹配原理. 在该模型中为每个单体电池配备了一个
独立的充电单元, 所有充电单元的能量都是由发电机
发电的能量经能量变换而来, 电池能量再经过转换放
电给 12 V电源和车辆上用电设备供电, 形成分流支路
流动. 根据 原 理, 该模 型 中用 于 均衡 的 放 电功 率 为
W

d is

, 而用于均衡的充电功率为 W

ch

, 如式 ( 3)和式 ( 4)

所示.

W

d is

= I

d is

U

d is

,

( 3)

W

ch

=

!

n

i= 1

I

ch i

U

ch i

.

( 4)

如果忽略能量在线路中流动的损失和能量转换装

置的效率损失, 则用于均衡的放电功率与用于均衡的
充电功率有三种情况:

当用于均衡的放电功率小 于用于均衡的 充电功

率, 依据此原理建立的均衡能量方程为:

W

d is

< W

ch

.

这时电池组能量增加, 这只适用于电池组能量较

低, 电池组处于充电的情况, 满足电池组能量需求.

当用于均衡的放电功率大 于用于均衡的 充电功

率, 依据此原理建立的均衡能量方程为:

W

d is

> W

ch

.

这时电池组能量减少, 这只适用于电池组能量较

高, 电池组处于放电的情况, 满足混合动力汽车能量需
求.

当用于均衡的放电功率等 于用于均衡的 充电功

率, 依据此原理建立的均衡能量方程为:

W

d is

= W

ch

,

亦即

I

d is

U

d is

=

!

n

i= 1

I

ch i

U

ch i

.

( 5)

这时电池组能量处于动态平衡, 即电池组能量不

增加也不减少, 仅仅可以实现电池组中单体电池的能
量均衡.

根据电流关系, 又可将以上 3种情况的每一种情

况细分成下面 3种状态:

对于放电电流等于充电电流的单体电池, 有

I

dis

= I

ch i

.

该电池的放电能量也等于充电能量, 在忽略电池

的充放电效率的差异的前提下, 该电池的能量也将保
持动态平衡而不发生变化.

对于放电电流小于充电电流的单体电池, 有

2

重庆大学学报 ( 自然科学版 )

2005年