锂电池组在线均衡BMS健康管理方法研究
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研 究 与 设 计
(1)
E (V ) ?
V n
(2) (3)
V −− V /n
(4)
２０１５．１２ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１２
比较确定是否进行均衡调节， 判决过程如式(5)所示： ? BA if (? − ? ) (5) ? ? nBA if (? ? ) BA 表示进行 BMS 均衡调节处理； nBA 表示不进行均衡 式中： 调节处理。在 BA 情况下通过式(4)中求得的单体电压偏移量 标准差(SD)的值的大小决定 BMS 均衡调节速率。 (3)主动均衡调节
１．１ 锂离子电池充放电原理
锂电池主要由电极、 电解液以及聚合物电解质膜构成。 在 充放电过程中，由于正负电极间通过外部电源或者外接负载 构成回路，锂离子经由电解液和聚合物隔膜实现在电势差的 作用下的移动。充电过程中， 锂电池电压变化如图 1 所示。
4.5 4.0 3.5 3.0
V /V
在化学反应过程中， 尤其是长期使用后， 聚合物隔膜和电
Lithium battery pack BMS health management online balancing adjustment method study
SHANG Li-ping1, WANG Shun-li1*, HE Ming-qian2, FAN Shi-jun2, LI Zhan-feng3
定与安全保护，并配备相应的电池管理系统 (BMS, battery management system)。在 BMS 管理过程中， 单体平衡的判断与 调节起着至关重要的健康管理保护作用。
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 1 2 3 t /h 4 5 6 7
１．２ ＢＭＳ 在线均衡调节方法
研 究 与 设 计
锂电池组在线均衡 ＢＭＳ 健康管理方法研究
尚丽平 1， 王顺利 1*， 何明前 2， 范世军 2， 李占锋 3 四川 绵阳 621010； 2.四川长虹电源有限责任公 (1.西南科技大学 信息工程学院 特殊环境机器人技术四川省重点实验室， 司， 四川 绵阳 621000； 3.西南科技大学 制造科学与工程学院， 四川 绵阳 621010) 摘要： 锂电池组在作为能源供能应用中有电压不平衡问题 。通过单体及蓄电池组电压实时检测与高电压对低电压单体 均衡调节， 探索了实时在线均衡 ＢＭＳ 健康管理方法， 并基于此设计了一种锂电池组实时主动均衡 ＢＭＳ 健康管理系统 。 该系统在锂电池组供能工作中的实时检测蓄电池单体及组状态参数， 通过锂电池组总电压给单体充电的形式， 实现了 蓄电池组单体间的电压均衡 ＢＭＳ 调节， 并进行结构的优化设计以满足便携式需求， 应用于供能过程中单体电压实时在 线均衡调节。实验结果表明， 该系统实现了锂电池的实时主动均衡， 使得电池放电过程中单体的电压不平衡度不高于 ５％， 实现锂电池供能中实时在线均衡 ＢＭＳ 健康管理调节。 关键词： 锂电池； ＢＭＳ； 实时在线均衡； 健康管理； 均衡决策 中图分类号： ＴＭ ９１２．９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－０８７ Ｘ（２０１５）１２－２５９０－０３
图１
锂电池充电过程电压变化
图 1 中，电压采集通过研制的机载蓄电池地面检测与维 并通过对横轴时间进行归一化处理采集离 护设备 测试得到，
[10]
散点进行显示。从图中可以看出， 整个充电过程总体可分为电 压陡升、 电压恒定和电压陡升三个区域， 其中电压陡升起点后 续部分为调试实验获得， 在正常使用过程中， 在检测到拐点后 即停止充电以保护电池。 锂电池在放电过程中， 通过外接负载连通整个回路， 在两 极间电压差的驱动下， 在电池外部， 电子由负极移向正极， 在 电池内部，锂离子经由电解质和聚合物隔膜在两极间电压差 的作用下发生移动， 其中， 隔膜起到通锂离子隔离其他粒子的 关键作用， 如图 2 所示。 由图 2 可明显看出， 电池在放电过程中， 主要工作在电压 恒定区域。该区域的斜率变化和持续时间长短是评价锂电池
4.5 4.0 3.5
V /V
除以单体节数 n， 得到每 通过采集锂电池组总电压 (Vs)， 并与锂电池组单体间的平均 节单体的应达到期望电压 [E(V)]， 电压( V )比较， 以作为判断锂电池组充放电过程中单体内阻损 (3)所示：
耗与老化程度， 期望电压与平均电压计算过程分别如式 (2) 和
E (V) 是锂电池组单体期望电压； Vs 是锂电池组电压； n 式中：
(1. School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010, China; 2. Sichuan CHANGHONG Battery Co., Ltd., Mianyang Sichuan 621000, China; 3. School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010, China)
ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｎｏ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ５％． Ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ＢＭＳ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｈａｒｓｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ； ＢＭＳ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ； ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ； ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ
健康性能状态的重要指标。
锂电池在储能和供能过程中，工作状态主要通过锂离子
和电子的移动方向和快慢来确定。在其性能评价过程中， 从电 池内部而言， 主要由锂离子移动的效率确定， 其化学反应方程 式如式(1)所示：
? −? LiFePO ? ? ? ?? ? ? Li FePO +xLi+xe
１ 原理分析
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ ｈａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ｒｉｓｋｓ ｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｓｕｐｐｌｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ａ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ＢＭＳ ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ． Ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ＢＭＳ ａｃｔｉｖｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｔｈｅ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ， ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｍｏｎｇ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｍｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ． ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ， ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｏｎｌｉｎｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ． Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ
决受到科研人员的重视和持续深入研究， 郭军 、 刘和平等人基 于电动汽车方面进行了应用研究使得不平衡状态得到一定程 杨文荣 、 李露露等人针对新型电动汽车锂电池组 度的改善 [1]， 电量均衡电路设计方面进行了一系列探索研究进行不平衡状 态调理[2]， 尚丽平等人进行了基于 SOC 的 AGV 车载蓄电池组 主动均衡方法研究 [3]， 邱斌斌 、 李占锋 、 Wessells Colin、 王顺利 等人在状态检测及安全保护等方面做了相关研究[4-10]。 由于实时性、 便携式等现场需求， 设计的均衡模块要与锂 电池组 BMS 实时在线均衡调节， 因此所设计算法应尽可能简 洁， 且必须保证可以在单片机等小型处理器上移植， 并保证处 理时间满足实时在线均衡需求及配套应用的成本较低的需 求。本文针对锂电池在供能过程中实时在线均衡目标， 并基于
0 1 2 3 t /h 4 5 6 7
3.0 2.5 2.0
di 是第 i 个单体的电压偏移量； D 是单体电压偏移量数 式中： SD 为单体电压偏移量的标准偏差值。 组；
图２
锂电池放电过程电压变化
通过单体电压偏移量 (di)与单体电压偏移量门限阈值 (dT)
２５９１
Á Â Ã Ä Å Æ Á Ç È Ç É Á Â Á Â
是单体的数量； Vi 是锂电池组第 i 个单体的电压值； V 是单体 电压平均值。
然后计算每节单体电压 (Vi)与平均单体电压 ( V )的差值， 并按照降序排列，并通过计算单体电压偏移量的标准偏差确 定是否进行 BMS 均衡调节， 计算过程如式(4)所示： ? ?− ? (V ? V ) i ? 1, 2,d n ? ? ? , ? ,d, ? ? ? ? ? sort − ? 1 ? S ? − (? ? E (? )) ? n ?
锂电池具有能量密度大 、安全性高等优点得到研究人员 和企业的青睐， 由单体串联后的锂电池组在航空 、 航天 、 车载 等领域得到应用。但是由于锂电池组单体电压不平衡所造成 的燃烧等安全因素， 锂离子电池组应用受到很大限制。 由于锂电池组作为新兴能源应用的高储能 、 小体积、 低污 染等诸多优点，制约其广泛应用的这个关键性安全问题的解
解液等电池内部材料会出现老化现象，使得图 1 和 2 中的中 时， 由于电池组件材料在生产过程中不可避免的存在差异， 多 节电池单体在级联使用过程中，尤其加上长时间材料老化影
间有效工作区域变短， 斜率变大， 使得电池工作效率下降 。 同
响后， 容易出现单体间不平衡问题 。因此， 在一般锂电池生产 出厂 500 次循环寿命的限定基础上，一般加入不平衡度的限
２０１５．１２ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１２
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能源有效利用设计主动式均衡调节方案， 基于实时电压 、 温度 等参数较高精度检测与实时反馈电压均衡调节的思想，提出 了一种锂电池组 BMS 健康管理实时在线均衡调节方法， 用于 解决单体电压不平衡问题，较大电流充放电等极端条件实验 结果表明， 该方法能实现不同工况有效实时在线均衡调节， 并 能同时均衡调节至目标均衡电压要求。
通过实时在线检测锂电池组电压和单体电压等参数， 确 定锂电池工作状态和组间不平衡度，进而进行在线均衡调节 和 BMS 健康管理和保护。 (1)信号检测与处理
通过对锂电池组单体电压 、 组电压 、 均充电流 、 放电电流 以及温度的实时在线检测， 在 MCU 中进行处理分析， 转换为 对应的参量值， 参与后续的 BMS 均衡保护策略和实时状态保 护。 (2)BMS 均衡调节策略
２０１５－０５－０９ 收稿日期： 基金项目： 四川省科技支撑计划（２０１４ＧＺ００７８）； 实验室开放基金 （１４ｘｎｋｆ０９） 作者简介： 尚丽平 （１９６８—），女， 四川省人， 教授， 博士， 主要研究 方向为检测技术。 通信作者： 王顺利 （１９８５—）， 男， 四川省人， 讲师， 博士生， 主要研 究方向为检测技术及应用。
(1)
E (V ) ?
V n
(2) (3)
V −− V /n
(4)
２０１５．１２ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１２
比较确定是否进行均衡调节， 判决过程如式(5)所示： ? BA if (? − ? ) (5) ? ? nBA if (? ? ) BA 表示进行 BMS 均衡调节处理； nBA 表示不进行均衡 式中： 调节处理。在 BA 情况下通过式(4)中求得的单体电压偏移量 标准差(SD)的值的大小决定 BMS 均衡调节速率。 (3)主动均衡调节
１．１ 锂离子电池充放电原理
锂电池主要由电极、 电解液以及聚合物电解质膜构成。 在 充放电过程中，由于正负电极间通过外部电源或者外接负载 构成回路，锂离子经由电解液和聚合物隔膜实现在电势差的 作用下的移动。充电过程中， 锂电池电压变化如图 1 所示。
4.5 4.0 3.5 3.0
V /V
在化学反应过程中， 尤其是长期使用后， 聚合物隔膜和电
Lithium battery pack BMS health management online balancing adjustment method study
SHANG Li-ping1, WANG Shun-li1*, HE Ming-qian2, FAN Shi-jun2, LI Zhan-feng3
定与安全保护，并配备相应的电池管理系统 (BMS, battery management system)。在 BMS 管理过程中， 单体平衡的判断与 调节起着至关重要的健康管理保护作用。
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１．２ ＢＭＳ 在线均衡调节方法
研 究 与 设 计
锂电池组在线均衡 ＢＭＳ 健康管理方法研究
尚丽平 1， 王顺利 1*， 何明前 2， 范世军 2， 李占锋 3 四川 绵阳 621010； 2.四川长虹电源有限责任公 (1.西南科技大学 信息工程学院 特殊环境机器人技术四川省重点实验室， 司， 四川 绵阳 621000； 3.西南科技大学 制造科学与工程学院， 四川 绵阳 621010) 摘要： 锂电池组在作为能源供能应用中有电压不平衡问题 。通过单体及蓄电池组电压实时检测与高电压对低电压单体 均衡调节， 探索了实时在线均衡 ＢＭＳ 健康管理方法， 并基于此设计了一种锂电池组实时主动均衡 ＢＭＳ 健康管理系统 。 该系统在锂电池组供能工作中的实时检测蓄电池单体及组状态参数， 通过锂电池组总电压给单体充电的形式， 实现了 蓄电池组单体间的电压均衡 ＢＭＳ 调节， 并进行结构的优化设计以满足便携式需求， 应用于供能过程中单体电压实时在 线均衡调节。实验结果表明， 该系统实现了锂电池的实时主动均衡， 使得电池放电过程中单体的电压不平衡度不高于 ５％， 实现锂电池供能中实时在线均衡 ＢＭＳ 健康管理调节。 关键词： 锂电池； ＢＭＳ； 实时在线均衡； 健康管理； 均衡决策 中图分类号： ＴＭ ９１２．９ 文献标识码： Ａ 文章编号： １００２－０８７ Ｘ（２０１５）１２－２５９０－０３
图１
锂电池充电过程电压变化
图 1 中，电压采集通过研制的机载蓄电池地面检测与维 并通过对横轴时间进行归一化处理采集离 护设备 测试得到，
[10]
散点进行显示。从图中可以看出， 整个充电过程总体可分为电 压陡升、 电压恒定和电压陡升三个区域， 其中电压陡升起点后 续部分为调试实验获得， 在正常使用过程中， 在检测到拐点后 即停止充电以保护电池。 锂电池在放电过程中， 通过外接负载连通整个回路， 在两 极间电压差的驱动下， 在电池外部， 电子由负极移向正极， 在 电池内部，锂离子经由电解质和聚合物隔膜在两极间电压差 的作用下发生移动， 其中， 隔膜起到通锂离子隔离其他粒子的 关键作用， 如图 2 所示。 由图 2 可明显看出， 电池在放电过程中， 主要工作在电压 恒定区域。该区域的斜率变化和持续时间长短是评价锂电池
4.5 4.0 3.5
V /V
除以单体节数 n， 得到每 通过采集锂电池组总电压 (Vs)， 并与锂电池组单体间的平均 节单体的应达到期望电压 [E(V)]， 电压( V )比较， 以作为判断锂电池组充放电过程中单体内阻损 (3)所示：
耗与老化程度， 期望电压与平均电压计算过程分别如式 (2) 和
E (V) 是锂电池组单体期望电压； Vs 是锂电池组电压； n 式中：
(1. School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010, China; 2. Sichuan CHANGHONG Battery Co., Ltd., Mianyang Sichuan 621000, China; 3. School of Manufacturing Science and Engineering, Southwest University of Science and Technology, Mianyang Sichuan 621010, China)
ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ａｍｏｎｇ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ｎｏ ｂｉｇｇｅｒ ｔｈａｎ ５％． Ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ＢＭＳ ｃａｎ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ－ｉｏｎ ｂａｔｔｅｒｙ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ｅｎｅｒｇｙ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｕｎｄｅｒ ｈａｒｓｈ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｉｎ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ； ＢＭＳ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ； ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ； ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ
健康性能状态的重要指标。
锂电池在储能和供能过程中，工作状态主要通过锂离子
和电子的移动方向和快慢来确定。在其性能评价过程中， 从电 池内部而言， 主要由锂离子移动的效率确定， 其化学反应方程 式如式(1)所示：
? −? LiFePO ? ? ? ?? ? ? Li FePO +xLi+xe
１ 原理分析
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ ｈａｓ ｅｎｅｒｇｙ ｉｍｂａｌａｎｃｅ ｒｉｓｋｓ ｉｎ ｅｎｅｒｇｙ ｓｕｐｐｌｙ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ａ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ＢＭＳ ｈｅａｌｔｈ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｗａｓ ｅｘｐｌｏｒｅｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ． Ａ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｏｎｌｉｎｅ ＢＭＳ ａｃｔｉｖｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｔｈｅ Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｌｉｔｈｉｕｍ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ， ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔ ａｍｏｎｇ ｍｏｎｏｍｅｒｓ ａｎｄ ｍｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ． ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ， ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｔｈｅ ｏｎｌｉｎｅ ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍ． Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ
决受到科研人员的重视和持续深入研究， 郭军 、 刘和平等人基 于电动汽车方面进行了应用研究使得不平衡状态得到一定程 杨文荣 、 李露露等人针对新型电动汽车锂电池组 度的改善 [1]， 电量均衡电路设计方面进行了一系列探索研究进行不平衡状 态调理[2]， 尚丽平等人进行了基于 SOC 的 AGV 车载蓄电池组 主动均衡方法研究 [3]， 邱斌斌 、 李占锋 、 Wessells Colin、 王顺利 等人在状态检测及安全保护等方面做了相关研究[4-10]。 由于实时性、 便携式等现场需求， 设计的均衡模块要与锂 电池组 BMS 实时在线均衡调节， 因此所设计算法应尽可能简 洁， 且必须保证可以在单片机等小型处理器上移植， 并保证处 理时间满足实时在线均衡需求及配套应用的成本较低的需 求。本文针对锂电池在供能过程中实时在线均衡目标， 并基于
0 1 2 3 t /h 4 5 6 7
3.0 2.5 2.0
di 是第 i 个单体的电压偏移量； D 是单体电压偏移量数 式中： SD 为单体电压偏移量的标准偏差值。 组；
图２
锂电池放电过程电压变化
通过单体电压偏移量 (di)与单体电压偏移量门限阈值 (dT)
２５９１
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是单体的数量； Vi 是锂电池组第 i 个单体的电压值； V 是单体 电压平均值。
然后计算每节单体电压 (Vi)与平均单体电压 ( V )的差值， 并按照降序排列，并通过计算单体电压偏移量的标准偏差确 定是否进行 BMS 均衡调节， 计算过程如式(4)所示： ? ?− ? (V ? V ) i ? 1, 2,d n ? ? ? , ? ,d, ? ? ? ? ? sort − ? 1 ? S ? − (? ? E (? )) ? n ?
锂电池具有能量密度大 、安全性高等优点得到研究人员 和企业的青睐， 由单体串联后的锂电池组在航空 、 航天 、 车载 等领域得到应用。但是由于锂电池组单体电压不平衡所造成 的燃烧等安全因素， 锂离子电池组应用受到很大限制。 由于锂电池组作为新兴能源应用的高储能 、 小体积、 低污 染等诸多优点，制约其广泛应用的这个关键性安全问题的解
解液等电池内部材料会出现老化现象，使得图 1 和 2 中的中 时， 由于电池组件材料在生产过程中不可避免的存在差异， 多 节电池单体在级联使用过程中，尤其加上长时间材料老化影
间有效工作区域变短， 斜率变大， 使得电池工作效率下降 。 同
响后， 容易出现单体间不平衡问题 。因此， 在一般锂电池生产 出厂 500 次循环寿命的限定基础上，一般加入不平衡度的限
２０１５．１２ Ｖｏｌ．３９ Ｎｏ．１２
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能源有效利用设计主动式均衡调节方案， 基于实时电压 、 温度 等参数较高精度检测与实时反馈电压均衡调节的思想，提出 了一种锂电池组 BMS 健康管理实时在线均衡调节方法， 用于 解决单体电压不平衡问题，较大电流充放电等极端条件实验 结果表明， 该方法能实现不同工况有效实时在线均衡调节， 并 能同时均衡调节至目标均衡电压要求。
通过实时在线检测锂电池组电压和单体电压等参数， 确 定锂电池工作状态和组间不平衡度，进而进行在线均衡调节 和 BMS 健康管理和保护。 (1)信号检测与处理
通过对锂电池组单体电压 、 组电压 、 均充电流 、 放电电流 以及温度的实时在线检测， 在 MCU 中进行处理分析， 转换为 对应的参量值， 参与后续的 BMS 均衡保护策略和实时状态保 护。 (2)BMS 均衡调节策略
２０１５－０５－０９ 收稿日期： 基金项目： 四川省科技支撑计划（２０１４ＧＺ００７８）； 实验室开放基金 （１４ｘｎｋｆ０９） 作者简介： 尚丽平 （１９６８—），女， 四川省人， 教授， 博士， 主要研究 方向为检测技术。 通信作者： 王顺利 （１９８５—）， 男， 四川省人， 讲师， 博士生， 主要研 究方向为检测技术及应用。