锂电池健康状态均衡技术综述_薄利明.pdf

锂电池健康状态均衡技术综述薄利明1，郑惠萍1，张世锋1，吴青峰2，樊瑾莉3(1 国网山西省电力公司电力科学研究院，太原 030001;2 太原科技大学 电子信息工程学院，太原 030024;3 北京城建智控科技股份有限公司太原分公司，太原 030000)摘要:锂电池健康状态(State of Health，SOH)均衡技术是电池管理系统(Battery Management System，BMS)的关键技术之一。实现锂电池 SOH 均衡可使系统内所有锂电池同时达到报废标准，降低锂电池维护和更换费用，提高锂电池容量利用率。文中对 SOH 定义和不均衡影响因素进行介绍，指出影响 SOH 均衡的因素。从主动均衡、被动均衡和复合均衡三个角度出发，对目前发表的锂电池 SOH 均衡方案进行分类和总结。重点分析现有主动、被动和复合SOH 均衡方案原理、优缺点及面临的问题。同时指出锂电池 SOH 均衡技术未来发展及改进方向，以期实现锂电池SOH 均衡技术突破。关键词:锂电池;健康状态;电池管理系统;均衡技术DOI:10 19753/j issn1001-1390 2023 04 002中图分类号:TM912 9文献标识码:A文章编号:1001-1390(2023)04-0011-08eview on health state equalization technology for lithium batteriesBo Liming1，Zheng Huiping1，Zhang Shifeng1，Wu Qingfeng2，Fan Jinli3(1 Electric Power esearch Institute of State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030001，China2 College of Electronic Information Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China3 Taiyuan Branch，Beijing Urban Construction Intelligent Control Technology Co，Ltd，Taiyuan 030000，China)Abstract:Lithium battery state of health(SOH)equalization technology is one of the key technologies to battery manage-ment system(BMS)ealizing lithium battery SOH balancing can make all lithium batteries in the system reach the scrapstandard at the same time，reduce the maintenance and replacement costs of lithium batteries，and improve the capacity u-tilization of lithium battery Firstly，this paper introduces the definition of SOH and the influencing factors of imbalance，and points out the factors that affect the SOH balancing Then，from the perspective of active balancing，passive balancingand composite balancing，the published SOH balancing schemes for lithium batteries are classified and summarized Theprinciple，advantages，disadvantages and problems of the existing active，passive and composite SOH balancing schemesare emphatically analyzed Finally，the future development and improvement direction of lithium battery SOH equalizationtechnology are pointed out，so as to realize the SOH equalization of lithium batteriesKeywords:lithium battery，state of health，battery management system，equalization technology基金项目:国网山西省电力有限公司科技项目(520530200015);山西省高等学校科技创新项目(2021L289);太原科技大学博士科研启动基金项目(20202005，20202007)0引言2021 年10 月，中共中央、国务院发布 关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见，文件中为“碳达峰”“碳中和”这项重大工作进行系统谋划、总体部署1-2。电动汽车和微电网具有使用成本低、污染小、排碳量低等优点，是我国实现“双碳”目标的重要手段3-4。而锂电池是支撑电动汽车和微电网正常运行的关键设备5-6。单个锂电池储能单元电压等级低、容量小。电动汽车和微电网中通常将多个锂电池串并联组成锂电池组使用，以提高锂电池的电压等级和容量 7-8。锂电池需要和电池管理系统(BatteryManagement System，BMS)配套使用 9-10。健康状态(State of Health，SOH)均衡控制是 BMS 需要实现的功能11第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023之一 11。实现锂电池 SOH 均衡可使锂电池报废的时间一致，进而减少锂电池更换和维护次数，降低锂电池维护过程中产生的人工成本，提高锂电池可使用容量和经济性 12-13。鉴于 SOH 均衡控制的重要性，学者已开始对相关课题开展研究。但锂电池 SOH 均衡控制研究尚处于起步阶段，尚有许多难题没有突破。目前，尚没有文献对 SOH 均衡控制技术进行综述和总结。基于此，文中对目前发表的锂电池 SOH 均衡方案进行分类和总结，解析现有 SOH 均衡方案的原理和优缺点;探讨锂电池 SOC 均衡技术未来发展及改进方向，以期突破 SOH 均衡技术瓶颈。1锂电池 SOH 定义及不均衡的原因1 1 锂电池 SOH 定义SOH 为表征电池老化和劣化程度的指标，其值在 0到1 之间 14。随着锂电池服役时间的增加，锂电池 SOH值会不断降低。当 SOH 降到一定值时(通常为 20%)，锂电池必须退役 15。锂电池为非线性系统并且很多电气参数难以直接测量 16。因此，SOH 参数不能直接测量得到，需要采用合理的估算方法对 SOH 进行估算 17-18。目前 SOH 的表达式主要包括两种:基于容量和基于内阻。一种经典的基于容量的 SOH 表达式为19:SOH=QmaxQrated(1)式中 Qmax为锂电池可用的最大可用容量;Qrated为锂电池额定容量。另一种基于内阻的 SOH 表达式为20:SOH=E CE N(2)式中 E为锂电池寿命结束时的内阻;C为电流内阻;N为新电池的额定内阻。由式(1)和式(2)可以看出，锂电池的 SOH 与电池容量和内阻指标密切相关。但由于电池容量和内阻指标难以直接测量，目前学者提出了许多改进 SOH 估算方法，以便更快和更准的获得电池容量和内阻值。这些改进 SOH 估算算法主要包括实验估计法21、自适应滤波法22 和数据驱动法23 三类。1 2 SOH 不均衡影响因素由式(1)和式(2)可知，导致 SOH 不均衡的因素主要在于各个锂电池的容量和内阻阻值不一致。影响锂电池容量和阻值的因素主要包括24:(1)温度。锂电池组内一般中间的锂电池散热效果差，导致锂电池组内锂电池单元存在温差，造成锂电池单元间容量和内阻阻值差异;(2)充放电电流倍率。各块锂电池充放电倍率不同会影响锂电池容量的衰减度，影响 SOH 均衡;(3)锂电池放电深度(Depth of Discharge，DOD)。锂电池 DOD 的会影响锂电池充放电深度，进而影响SOH 均衡;(4)循环区间，锂电池放电循环区间差异会影响电池老化过程和电池内阻，导致 SOH 不均衡。实际工程中，由于锂电池单体制造工艺、初始容量、环境、温度及服役时间等因素差异会造成锂电池时容量、内阻和自放电率等指标不同，致使锂电池组间或组内各个锂电池单元运行过程中 SOH 不均衡度逐步增加，进而导致“水桶效应”(见图 1)。SOH 不均衡会造成系统内锂电池退役的时间不一致，增加锂电池维护和更换成本，降低锂电池容量利用率。图 1锂电池放电过程 SOH 状态Fig 1SOH state of lithium battery during discharge2SOC 与 SOH 均衡方案的差异除 SOH 均衡，荷电状态(State of Charge，SOC)均衡也是电池管理系统的关键技术25。但 SOC 均衡与SOH 均衡技术有着本质差别(见表 1)。表 1SOC 和 SOH 均衡方案差异Tab 1Differences between SOC and SOHbalancing schemes方案相关变量均衡方法均衡效果SOC均衡25-28 与逆变器输出有功功率相关令 SOC 高的锂电池输出更多有功功率，SOC 均衡后有功功率均分提高容量利用率，防止过充、过放、过热SOH均衡29-40 与 DOD 相关令 SOH 高的锂电池处于深度放电，SOH均衡后有功功率不均分使锂电池的时间一致，减少维护和更换成本21第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023图 2 为传统 SOC 均衡控制方案26 下的 SOH波形。图 2传统 SOC 均衡控制方案下的仿真波形Fig 2Simulation waveform under traditional SOCbalancing control scheme图 2 中锂电池 SOC 和 SOH 分别采用安时积分法和式(5)来进行估算。基于安时积分法的 SOC 表达式如下27-28:SOCi=SOC0iPidtVBCei(3)式中 SOCi和 SOC0 i分别表示第 i 台锂电池的 SOC值和初始 SOC 值;Cei表示第 i 台锂电池容量;VB表示锂电池输出侧电压;Pi表示第 i 台锂电池逆变器输出的有功功率。由图 2 分析可知:传统 SOC 均衡方案根据锂电池SOC 状态调节逆变器输出的有功功率，使 SOC 高的储能单元输出更多的能量，加快 SOC 下速度，进而均衡各个电池的 SOC。但传统 SOC 均衡方案中，逆变器输出的稳态有功功率是均分的，即以相同的 DOD 放电。在这种情况下，若初始 SOH 不一致，则锂电池 SOH 无法实现均衡。3锂电池 SOH 均衡方案研究现状鉴于锂电池 SOH 均衡的重要性，部分国内外学者已经开展 SOH 均衡技术研究。目前，已发表文献中实现 SOH 均衡的方法主要分为主动均衡法、被动均衡法和复合型均衡三种方法29。3 1 被动 SOH 均衡方案被动 SOH 均衡方案具有控制简单、成本较低、易于实现等优点，在工业中应用广泛。文献 30 提出的被动 SOH 均衡方案给每块锂电池安装分流电阻(见图3)，根据检测到锂电池 SOH 状态分流电阻控制开关，将 SOH 高的锂电池接入分流电阻，利用分流电阻消耗SOH 高的锂电池能量，加快 SOH 下降速度，进而均衡所有锂电池 SOH。但由于被动 SOH 方案利用电阻发热耗能的形式调节能量，因此存在能量浪费和均衡速度慢的问题。图 3被动 SOH 均衡方案原理图Fig 3Schematic diagram of passive SOHbalancing scheme3 2 主动 SOH 均衡方案针对被动 SOH 均衡方案的缺点，部分学者提出了主动 SOH 均衡方案。主动 SOH 平衡方案通过连接在每个锂电池单元或者锂电池组上功率变换器，将SOH 值高的锂电池能量转移到 SOH 值低电荷电池，进而实现 SOH 均衡。主动 SOH 均衡方法克服被动均衡方案产生能量损耗的缺点，具有均衡速度快、效率高、节能等优点。针对 SOH 不均衡问题，文献 31 根据锂电池实验数据，利用阻抗衰减率表征 SOH，如式(4)所示:r=2 211 12c(4)式中 r为锂电池老化衰减率;c为锂电池阻抗衰减率。提出一种锂电池 SOH 主动均衡拓扑结构(见图4)。在该拓扑结构中，每个锂电池配备一个 DC/DC 升降压电路，通过能量转移实现单个锂电池组内各个锂电池单元的 SOH 均衡。该方案通过将当前锂电池31第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023SOH 值与最小 SOH 值的差值作为目标函数，在约束条件下获得锂电池能量转移的最佳路径，实现 SOH 较好的锂电池转移出能量，SOH 较差的锂电池转移入能量。通过该方式，实现四节串联电池 SOH 均衡。该方案具有能量损失小，控制原理简单的优点。但该方案存在计算量较大，需要电子器件较多，成本较高，需要通信等问题。图 4基于拓扑结构的 SOH 均衡方案Fig 4SOH equalization scheme based on topology文献 32 提出的 SOH 估算算法，解决了文献 31需要采集大量实验数据的问题。同时，提出基于经验和物理的方法建立锂电池生命周期模型，并在该模型的基础上提出 SOH 均衡系统，通过为每个锂电池单元配置一个小的低功耗 DC/DC 变换器(见图 5)，并由一个独立的控制单元来实现锂电池单元的 SOH 均衡。图 5基于双向 DC/DC 变换器的 SOH 均衡方案Fig 5SOH equalization scheme based onbidirectional DC/DC converter该方案将各个锂电池的 SOH 数据送入主控制器，主控器根据 SOH 状态控制双向 DC/DC 变换器开关调节输出电流的大小，最终实现 SOH 均衡控制。文献 33 提出一种 SOH 均衡系统。该系统能够识别出 SOH低的锂电池，均衡 SOH 在 50%100%范围内的锂电池SOH 以及替换 SOH 低于50%的锂电池。文献 34 通过将系统内锂电池 SOH 状态信息传给主控系统，主控系统通过对比 SOH 信息将 SOH 状态较差锂电池切除或将SOH 状态较好的锂电池接入，进而实现 SOH 均衡。文献 35 提出一种 SOH 感知均衡系统。该系统首先利用式(1)对 SOH 进行估算，通过控制 MOSFET 开关减少较低 SOH 电池单元的负荷电流，以实现 SOH 均衡。上述文献的 SOH 估计都是根据式(1)和式(2)得到。但是采用式(1)时需要对锂电池进行长时间的离线充放电测试。而采用式(2)时 SOH 估算的结果受环境温度的影响。因此，式(1)和式(2)都不适合于 SOH的在线估计。基于此，文献 36-38 提出一种基于锂电池生命周期的 SOH 估算表达式如式(5)所示:SOH=CleftCtotal=SOH0CalcaDODb(5)式中 Cleft为锂电池的剩余生命周期;Ctotal为锂电池总的生命周期;Calc为累积生命周期;SOH0为 SOH的初始值;DOD 为锂电池的放电深度;a 和 b 为正的常数。同时指出锂电池的 SOH 与其放电深度(Depth ofDischarge，DOD)密切相关。在此基础上，研究一种针对储能型模块化多电平系统(Battery Integrated ModularMultilevel Converter，B-MMC)的控制方案，该方案利用DC/DC 变换器根据电池 SOH 状态，对每个电池单元的输出的电流重新进行分配，使 SOH 高的锂电池输出的有功功率多(即处于深放电状态)，SOH 下降的速度快;使 SOH 低的锂电池输出的有功功率少(即处于浅放电状态)，SOH 下降的速度慢，最终实现 B-MMC 之间的 SOH 均衡(见图 6)。值得注意的是和图 2(b)不同，图 6(b)中 SOH 均衡后，稳态有功功率处于不均分状态。稳态有功功率的状态是 SOC 和 SOH 均衡方案的重要区别。41第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023图 6文献 36 SOH 均衡方案Fig 6SOH equalization schemein reference 36文献 31-38仅实现单个锂电池组内各个锂电池单元的 SOH 均衡，未考虑锂电池组间 SOH 均衡问题。针对该问题，文献 39 提出一种基于多代理的微电网分布式锂电池组间 SOH 平衡方案。该方案中各个锂电池组通过逆变器给负荷供电(见图 7)。该方案通过将 DOD 信息引入传统下垂控制中，利用多代理技术求出 DOD 平均值对逆变器输出的有功功率进行调节，进而实现锂电池组间的 SOH 均衡。基于多代理的锂电池组间 SOH 均衡方案控制框图如图8 所示。但该方案仍然建立在通信的基础上。图 7文献 37 中锂电池组结构图Fig 7Structure of lithium battery pack in reference 37图 8锂电池组 SOH 均衡控制框图Fig 8SOH balancing control block diagram oflithium battery packages综上可知，已存主动 SOH 均衡方案能分别实现锂电池组间或组内 SOH 均衡，但现有方案均需集中能量管理器或通信，成本较高，控制较为复杂，不易于实际应用。3 3 复合型 SOH 均衡方案针对已存主动 SOH 均衡方案只能实现锂电池组内各个锂电池单元 SOH 均衡或锂电池组间 SOH 均衡的的缺点，文献 40提出一种复合型 SOH 均衡方案(见图9)。复合均衡技术将主动均衡和被动均衡技术结合，同时实现锂电池组间/组内 SOH 均衡。在主动均衡方面，通过给单个锂电池组内各个锂电池单元配备 DC/DC 变换器，利用 BMS 根据 SOH 状态调节各个锂电池单元间的功率流动。在被动均衡方面，通过在各个锂电池组输出端接入分流电阻，利用提出的控制算法控制分流电阻接入与切除，实现各个锂电池组输出功率进行调节，进而达到均衡锂电池组间 SOH 的目的。虽然该方案可以同时实现锂电组内和组间各个锂电池间的 SOH 均衡，但引入的分流电阻增加了系统成本和能量浪费。此外，该方案基于 B-MMC 电路，应用范围受到限制，需要中央控制器和全局通信，通信量大，算法复杂。图 9复合型 SOH 均衡方案Fig 9Compound SOH equalization scheme51第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023表 2 列出了不同锂电池 SOH 均衡方法之间的比较，包括方法分类、均衡方法以及每种方法的优缺点。各种均衡方法之间的比较结果表明，每种 SOH 均衡方案都存在优点和缺点，由于每种方法在成本、均衡速度、控制复杂性和拓扑结构等方面的不同，可根据应用场合、控制要求、成本预算等限制条件选择不同的控制方案。但通过比较发现:如果能对功率转换和控制电路进行优化，以充分减小体积和成本，那么基于电力电子变换器的主动 SOH 均衡方法是非常有前途的。表 2已存 SOH 均衡方案总结与分析Tab 2Summary and analysis of existing SOH equalization schemes分类均衡方法原理优点缺点被动 SOH 均衡技术30 基于分流电阻利用分流电阻消耗SOH 高的电池能量成本较低，控制较简单均衡速度慢，存在能量浪费主动 SOH 均衡技术31-39 基于电力电子变换器变换器通过能量转移，将 SOH 高的锂电池能量转移到 SOH 低的锂电池能实现锂电池组间或组内锂电池 SOH均衡，能量利用率高，均衡速度快需要通信或中央控制器，控制较为复杂，系统成本较高复合 SOH 均衡技术40 基于分流电阻和DC/DC 变换器分流电阻负责调节锂电池组电流，DC/DC变换器调节锂电池组内电池能量流动同时实现锂电池组间和组内锂电池 SOH 均衡存在能量浪费，需要集中控制器，通信量大，控制较为复杂，不易于实现4SOH 均衡技术发展方向及建议SOH 均衡技术是 BMS 系统不可或缺的技术。本节基于 SOH 均衡的研究现状和趋势，从主动均衡、被动均衡和复合均衡三个角度出发，对未来 SOH 均衡技术的发展趋势进行展望，提出未来 SOH 均衡技术可从以下几个方面展开研究:(1)主动 SOH 均衡技术发展方向及建议。现有的主动 SOH 均衡方案主要以 DC/DC 变换器为载体，研究 DC/DC 变换器控制方案。通过调节DC/DC变换器开关状态实现能量调节和 SOH 均衡，具有均衡速度快，效率高等优点。但现有基于 DC/DC 变换器方案要求中央控制器和通信、控制较复杂、成本较高、只能实现单个锂电池组内部储能单元 SOH 均衡，不易于实际应用。现有基于逆变器的 SOH 均衡方案，同样具有均衡速度快，效率高等优点，并能实现交流微电网锂电池组间 SOH 均衡。但现有方案仍无法摆脱对通信的依赖。针对主动均衡方案存在的问题，未来可重点研究如何利用多代理、下垂控制等控制技术，实现无中央控制器、弱通信、甚至无通信状态下的锂电池SOH 均衡，降低方案应用成本和难度。除目前已存的基于 DC/DC 变换器和逆变器的主动 SOH 均衡方案，还可以考虑基于电容、基于电感和基于变压器 SOH 均衡方案:基于电容 SOH 均衡方案。基于开关电容的 SOH 均衡方案中每个锂电池通过各自的开关与电容并联，电容器在与 SOH 高的锂电池单元并联时充电，在与 SOH 低的锂电池单元并联时放电，利用电容器在相邻电池之间传输能量，从而实现锂电池 SOH 均衡;基于电感 SOH 均衡方案。基于电感 SOH 均衡系统利用一个电感将电池组之间的能量转移到 SOH 最差的电池。控制器通过激活相应的开关实现电池组之间的能量转移和 SOH 均衡;基于变压器 SOH 均衡方案。在基于变压器 SOH 均衡方案中，每个次级绕组通过二极管连接到单独的锂电池单元。初级绕组通过开关连接在电池组，通过 50%的占空比切换，能量从 SOH 高的锂电池传输到 SOH 低的锂电池。(2)被动 SOH 均衡技术发展方向及建议。现有基于分流电阻被动 SOH 均衡方案于具有可靠性较高、结构简单、成本低的优点。但该方案中能量以热的形式在电阻中释放，而没有转移到其他电池。因此，该方法均衡速度慢，能量损耗大且需要通信。未来可对开关控制算法进行优化，减少开关导通和关断的次数，进而减少能量损耗。此外，除现有基于分流电阻 SOH 均衡方案，还可研究基于固定分流电阻的 SOH 均衡方案。该方案可将初始 SOH 高的锂电池串联接入阻值更高的电阻，消耗更多的能量，从而实现 SOH 均衡。该方案的特点和基于分流电阻的 SOH 均衡类似，未来难点在于研究SOH 和电阻值之间的联系，通过合理配置电阻阻值，减少能量损耗。(3)复合 SOH 均衡技术发展方向及建议。现有复合 SOH 均衡方案能同时实现单台锂电池组内各个锂电池单元和多台锂电池组间的 SOH，是未来研究的重点。但也面临控制复杂度和成本高、存在能量损61第 60 卷第 4 期电测与仪表Vol 60 No42023 年 4 月 15 日Electrical Measurement InstrumentationApr15，2023耗难题。此外，现有方案只讨论了 B-MMC 拓扑下 SOH均衡方案，需要中央控制器和通信。未来可重点研究利用多代理等先进控制技术，消除对中央控制器的依赖，减少通信量，降低控制成本。同时，可进一步研究先进多级控制算法。利用多级控制，在不使用外接电阻的前提下，同时实现单台锂电池组内各个锂电池 SOH 均衡和多台锂电池组间 SOH 均衡，减少能量损耗。最后，还可针对不同拓扑结构，研究相应的均衡算法。5结束语锂电池是支撑微电网、电动汽车正常运行的重要设备，而 SOH 均衡是锂电池 BMS 关键技术之一。文中介绍了 SOH 的主要影响因素，剖析了 SOC 和 SOH 均衡方案的区别，揭示了传统 SOC 均衡方案无法实现SOH 均衡的原因。从均衡速度、能量利用率、成本和控制复杂度等角度，分析了现有主动 SOH 均衡技术、被动 SOH 均衡技术和复合 SOH 均衡技术的优缺点，并分别指出未来三种均衡技术的改进措施和发展方向。对于被动 SOH 均衡技术来说，未来的研究重点在于提高SOH 均衡速度和减少能量损耗;对于主动和复合 SOH均衡技术来说，未来的难点在于优化控制算法，减少控制成本和对通信的依赖。参 考 文 献 1 韩肖清，李廷钧，张东霞，等 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