動力電池均衡充電控制策略研究

徐順剛， 鐘其水， 朱仁江

(1．重慶大學電氣工程學院，重慶 400030;2．電子科技大學航天科學技術研究院，四川成都 611731;3．重慶大學 光電工程學院，重慶 400030)

0 引言

在電動汽車的產業化工程中，動力電池的性能是影響整車性能的關鍵因素之一，同時在整車成本中占有較高的比例，甚至可以說動力電池對整個電動汽車產業起著決定性作用。因此延長動力電池的循環壽命，提升動力電池性能對電動汽車產業有著重要意義［1－3］。

動力電池通常采用多個單體電池串聯方式為電動汽車供電，由于在制造過程中，單體電池的電壓、內阻以及工作溫度等均不完全相同，各單體電池的初始容量存在一定差異。在電池組放電過程中，容量低的單體電池首先因過放電導致單體電池電壓過低而喪失放電能力。此時，相對于其他容量高的單體電池，容量低的單體電池變成了負載，由容量高的單體電池對其供電，從而出現單體電池極性反轉的現象，使得整個電池組不能夠正常工作，同時其壽命也會受到極大影響［4－6］。在隨后的充電過程中，這些容量減小的單體電池又會首先被充滿，出現過充電現象，使得整個電池組不能正常充滿電。在實際使用中，串聯電池組能夠實際放出的容量是由容量最小的單體電池所決定的，當該單體電池容量告罄時，整個電池組將無法繼續正常工作，充電過程也是如此。因此在電動汽車的動力電池使用過程中，單體電池不均衡是影響電池組工作的重要因素，因此對電池組進行均衡控制是十分必要的［7－11］。目前國內對電動汽車電池管理系統的研究主要集中在電池荷電狀態預估和熱管理等方面［12－16］，其主要目的是實現對動力電池組的監控和安全保護，而對動力電池組的均衡控制方法、均衡充電控制策略以及如何通過均衡控制延長電池組循環壽命的研究還較少。

本文分析單體電池性能不一致對動力電池組循環壽命的影響，指出電池組提前失效的主要原因，針對性的研究電池組均衡充電控制電路模型，并提出一種既能夠實現電池組快速充電，又能夠消除單體電池不一致對電池組循環壽命影響的均衡充電控制策略。

1 均衡電路模型分析

如圖1所示的耗散型均衡電路具有簡單可靠、性價比高的優點而廣泛適用于電動汽車及儲能系統中［17－18］。單體電池通過與之并聯的均衡開關S和均衡電阻R實現對充電電流的均衡，均衡電流通過控制均衡開關的占空比來實現。圖1中，ic為充電器的充電電流，vb為單體電池電壓，ib為對應的單體電池充電電流。

圖1 耗散型均衡電路Fig．1 Block diagram of resistor equalizing circuit

在單體電池充電過程中，通過控制均衡開關的狀態，可在一定范圍內獨立調節單體電池的充電電流。當忽略均衡開關S的阻抗時，單體電池的充電電流為

圖2為單體電池的均衡充電等效模型，其中ie為均衡電流，Zb為電池特性函數，Eq為均衡控制函數。

圖2 單體電池均衡電路等效模型Fig．2 Model of cell equalizing circuit．

由等效模型可知，單體電池輸出電壓可以表示為

當電池組串聯充電時，其均衡充電模型如圖3所示。

圖3 串聯電池組均衡充電模型Fig．3 Model of battery in series equalizing charge control

在電池組的串聯充電過程中，由于各單體電池的特性Zbi不會完全一致，為了達到均衡充電的目的，必須盡量縮小單體電池電壓間的差異，使其盡可能完全一致。由于在均衡充電過程中ib≤ic始終成立，因此均衡控制函數可表示為

在充電時，雖然所有單體電池都串聯在一起進行充電，但由于每個單體電池的均衡電流各不相同，其對應的充電電流也不相同。由于每個單體電池的均衡電流都可以在一定范圍內獨立調節，通過適當的充電控制策略，可以針對性的對不同單體電池進行區別性充電，從而消除充電過程中單體電池間的電壓差異，使得在每次充電過程中都能把所有的單體電池充飽，延長電池組的循環壽命。

2 均衡充電控制策略

均衡充電系統如圖4所示，虛線框內的均衡電路由若干個均衡單元和一個均衡管理單元構成。均衡管理單元通過監測電池組中各個單體電池的電壓和充放電電流，計算其剩余容量。在充電時，根據剩余容量和電池電壓決定單體電池的荷電狀態以及調節其充電電流。最終實現根據單體電池的不同狀態，調整其充電電流至最佳值，使電池組中所有單體電池的充電電壓有近乎相同的充電曲線，從而達到近似于單體電池并聯充電的效果。

圖4 均衡充電控制系統Fig．4 Block diagram of equalizing charge control system

對于各個均衡電路單元，均衡開關由脈寬調制信號控制，其占空比Si為

式中:VDT為電池組中最高電壓單體電池與最低電壓單體電池的電壓差，反映了電池組的均衡情況;k為比例因子，其表達式為

式中，VTH1和VTH2為均衡控制的設定閥值。

當均衡電阻的阻值為R時，電池組中任意單體電池的充電電流可以表示為

因此，串聯電池組中即使存在單體電池電壓不一致的情況，由于充電過程中均衡電路的作用，電壓高的單體電池充電電流相對較小，電壓上升速度相對較慢;反之，電壓低的單體電池充電電流相對較大，電壓上升速度相對較快。從而使電池組中單體電池差異保持在合理范圍內，只要均衡能力足夠，并能使之最終完全消除，從而達到保護電池延長電池循環壽命的作用。

3 實驗結果

本文構建72 V/120 AH鉛酸蓄電池組的均衡充電控制測試系統，均衡電流取值為2.4 A，恒流充電電流為24 A，恒壓充電電壓為每單體2.425 V，浮充充電電壓為每單體2.277 V。圖5和圖6分別為沒有均衡控制和有均衡控制的電池組充電時的單體電池電壓實驗波形。

圖5 無均衡時單體電池充電電壓Fig．5 Cell charging voltages without equalization circuit

圖6 有均衡時單體電池充電電壓Fig．6 Cell charging voltages with equalization circuit

由圖5可知，由于串聯電池組中單體電池的性能不一致，其電壓并不相同。當充電時，由于沒有均衡控制，所有單體電池的充電電流完全相同，從而使單體電池電壓差異逐漸增大。在充電后期，單體電池電壓出現嚴重不均衡，部分單體電池嚴重過充電，而另外一部分單體電池則嚴重欠充電。

由圖6可知，采用本文所提出的均衡充電控制策略后，雖然在開始充電階段各個單體電池之間存在明顯的不均衡，但由于均衡控制電路能根據電池組的均衡狀況修正每個單體電池的充電電流，隨著充電過程的進行，單體電池電壓差異逐漸縮小，在充電后期達到較好的均衡效果，從而能夠提高電池組的性能和循環壽命。

4 結語

本文分析了單體電池性能不一致對動力電池組循環壽命的影響，指出了動力電池組提前失效的主要原因，并在此基礎上研究了電池組均衡充電控制電路模型，提出了一種既能夠實現電池組快速充電，又能夠消除單體電池不一致對電池組循環壽命影響的均衡充電控制策略。根據本文所提出的均衡充電控制策略，對72 V/120 AH鉛酸蓄電池組進行了對比測試，實驗結果證明了該策略的有效性。

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