電動汽車鉛酸蓄電池均衡充電技術試驗研究

張慶良 趙樹國 高志賢 李 科

(邯鄲職業技術學院機電系，河北邯鄲056005)

一、引言

蓄電池幾乎全都用于多個單元電池串聯組合的場合。將多塊單元電池作為一組來進行充電時，會在所有單元電池上施加單一電壓。如果單元電池初始電壓不同，會導致蓄電池充電不平衡，最終可能會導致蓄電池失效，因此總體失衡是串聯蓄電池充電時的最嚴重問題。在串聯蓄電池充電過程中，需要采用某種形式的均衡充電機制來恢復平衡，至少要防止非平衡現象繼續惡化。

蓄電池均衡充電的常規做法為:或者通過施加足夠電壓以確保所有單元電池某種程度的過充電;或者經由單獨的高電壓充電步驟以使最低容量的單元電池達到要求電壓。

研究者認為長串聯蓄電池組存在均衡問題，但是只有幾塊單元電池的短電池串同樣存在此問題。根據參考文獻［1］，6塊鉛酸蓄電池進行常規的電壓限制充電，最大充電電壓保持在2.35V，進行12小時充電。隨著充電、放電周期循環，蓄電池性能逐步下降。只有當充電時間延長到16小時后，才有足夠時間來恢復平衡。即使如此，大約需要1周時間才能完全恢復電荷平衡。該充電策略代表的充電過程為被動均衡充電過程:在電壓受限情況下，確保高容量單元電池過充電，直到低容量單元電池完全充足電。即使是對12V單體電池，這個過程也很慢。

［2］中闡明了需要均衡充電的其他因素。在不均衡充電情況下，幾組12V鉛酸蓄電池串聯起來進行循環試驗。作為單體電池時，它們至少可進行400次循環。然而充電時如果不能保證制造商規定的過充電時間，而這在很大程度上涉及到平衡時間，蓄電池組工作不到30次就無法再使用。

均衡充電必須考慮的關鍵問題為:均衡充電過程需要單元電池電壓匹配，而真正需要匹配的是荷電狀態(state-of-charge，SOC)，那么電壓是否可以精確替代SOC;如何準確匹配單元電池，以使均衡充電過程有意義;均衡充電的優勢是什么，是否會延長蓄電池壽命，降低成本?文章以閥控式鉛酸蓄電池(valve-regulated lead-acid，VRLA)為例，探究了上述問題。

二、電壓平衡

均衡充電目的是在一系列單元電池間匹配SOC。由于蓄電池組的充電電壓一致，結果則為電壓匹配。然而，電壓與SOC之間的關系并非直截了當。2V鉛酸蓄電池靜置30分鐘后測量開路電壓，所得開路電壓與SOC的關系如圖1所示。

圖1表明，蓄電池開路電壓與SOC間的關系單一，線性且明確。在0～100%的SOC變化范圍內，電壓變化約為0.2V。相當于1%的SOC變化對應于2mV。從圖1中可得兩個推論:穩態下的鉛酸蓄電池，電壓可反映SOC狀態;穩態時，單元-單元10mV電壓波動對應于5%的SOC變化。其他情況下，結果則較為復雜。例如鋰離子電池，在0～100%的SOC變化范圍，電壓并未表現出顯著變化。雖然關系單一，但并非線性。文獻［3］證實，鋰離子電池LiMnO4和LiFePO4開路電壓和SOC關系如圖2所示。

由鉛酸蓄電池均衡充電可以推論，均衡充電同樣可應用于鋰離子電池組。但是對于其平坦的開路電壓-SOC配置特性而言，只有非常精確的電壓匹配，才能達到良好效果。

在動態充電條件下解釋上述行為則相對復雜。充電電流較小時會反映類似行為，但充電電流過大時則會扭曲電壓行為，從而導致錯誤結果。對兩個12單元鉛酸蓄電池組，分別在有均衡充電和沒有均衡充電條件下測試。鉛酸蓄電池標定容量為5A·h，以1/10放電率放電，以評估鉛酸蓄電池的電壓波動行為，結果如圖3和圖4所示［2］。測試電池1連接有外部電路，以分流過充電流來實現部分均衡充電。由圖3可知，在測試循環內，測試電池1的單元-單元電壓差異保持于約12mV;測試電池2沒有均衡充電作用，約13個周期后，測試電池2單元-單元電壓差異開始漂移，15個周期后，測試電池2單元-單元電壓差異上升到約15mV。由圖4可知，從約15個周期開始，測試電池2容量開始下降。試驗表明，15mV是基于均衡充電作用的上限。

根據圖1開路電壓和圖3、圖4充電條件下動態電壓分析，可以得出結論:電流受限條件下，電壓匹配是鉛酸蓄電池SOC匹配的有效方式。只有保持蓄電池單元-單元電壓差異約10mV或者更小，才會有均衡效果，這可以通過單元電池狀態管理實現。而偏離此容量的單元電池，必須更換。

生產商指定的各種蓄電池循環次數為幾百次甚至幾千次。一般而言，串聯蓄電池組無法達到這個水平。應用單元電池和串聯蓄電池組的唯一差別在于對單元電池電壓的管理，均衡充電過程會確保串聯蓄電池組像單個單元電池那樣工作［4］。

三、均衡充電優勢

為了使低容量單元電池完全充電，傳統的均衡充電方法是主充電過程之后，提供強制過充電時間間隔。它依賴單元電池的特性來恢復匹配，可稱為被動均衡充電。但是，被動均衡充電以析氣和大容量單元電池溫升為代價，并且過程緩慢。

蓄電池組中，單體電池電壓一般為6V或12V。隨著循環次數增多，蓄電池組故障通常表現為單體電池容量衰退。均衡充電意味著強制過充電時間增長，但是長時間過充電可導致熱失控。在更高電壓水平下充電時，均衡充電時間隨單元電池數量的平方而增長［2］。即使是24V的單體電池，也需要有效均衡充電過程。需要外部活動進程來補充被動均衡充電，以加速單元電池匹配和維持循環壽命。以兩只12V單體鉛酸蓄電池串聯進行充電測試，充電初期，測試電池1比測試電池2的SOC高10%。經過長時間充電后，蓄電池電壓差異如圖5所示。

由圖5可知，60h后，2組蓄電池電壓差異下降為約2V。但即使如此，也需要幾周的時間來恢復均衡。一般而言，蓄電池組中電池數量越多，越難以保證每個單元電池有足夠電壓。電動汽車和混合動力汽車往往使用串聯蓄電池，由于其高電壓、高放電率，因而對蓄電池性能要求更高。

均衡充電支持SOC匹配，優勢如下:首先，均衡充電的蓄電池組會表現出和單元電池相同的壽命。在合適電荷限制下，蓄電池循環次數可達到制造商評級的循環次;其次，避免了與不均衡充電有關的故障模式，不會發生低容量單元電池反復充電不足，最終失效的現;最后，如果單元-單元均衡，則沒有必要進行強制過充電，也就是說，主動均衡充電可以降低充電電壓，低電壓可降低熱失控可能性，減少析氣，高容量單元電池無需承受過充電壓力。其他優點還包括可互換性。許多用戶建議將串聯蓄電池組制作為緊密匹配的單元電池，以便在單元電池失衡之前增加循環次數。采用主動均衡充電技術可將單元電池聚集在一起，無需嚴格初始匹配。如果單元電池有缺陷或發生故障，主動均衡充電技術支持有缺陷的單元電池更換，且不會導致額外的單元電池不匹配。蓄電池組循環壽命增長，加上更換個別單元電池而非整體蓄電池組，因此成本顯著降低。

總之，有效均衡充電能擴展蓄電池組循環壽命，從而達到單個電池或單元電池的水平;避免和單元電池不平衡相關的故障模式;發生故障時，允許更換某個單元電池或單體電池;防止單元電池充電不足而導致蓄電池組性能弱化。在蓄電池應用上，所有這些效用會顯著節約成本。

四、均衡充電技術

上述討論表明，對于單元電池或單體電池而言，可將其循環壽命延長到制造商承諾的水平。并且，在實踐中確實有不同思路，從不同角度來確認主動均衡充電的優勢。

使用分布式充電系統，由多個充電器為單元電池獨立充電。這等同于單體電池的主動均衡充電，加入分布式充電系統后可以實現蓄電池性能改進明顯。

參考文獻［2］應用主動均衡器對傳統鉛酸蓄電池進行了測試，如圖6所示。圖6中，D1和D2為驅動電路接口，Cf為濾波電容，Ce為均衡電容，B1和B2為要均衡的蓄電池。

使用了兩組測試電池，其中一組采用2.30V/單元電池充電，主動均衡器保持蓄電池的單元-單元間的10mV匹配;另外一組采用2.45V/單元電池進行被動均衡充電。被動均衡充電僅約6個周期后，單元電池電壓偏差開始上升到10mV以上。測試期間同時進行了失水測定，主動均衡充電比被動均衡充電水損失減少40%。

參考文獻［5］介紹了依靠電容器切換實現均衡充電的方法，如圖7所示。圖7中，q(t)為電容器時鐘切換電路，用于控制單刀雙擲開關換位;C1、C2、C3為電容，B1、B2、B3和B4為要均衡的蓄電池。

圖7所示過程擁有幾個關鍵競爭優勢:簡單而直接，可精確匹配電壓;消耗能量少，并且可在充電和放電過程中連續使用;硬件模塊化，可在單元-單元或單塊-單塊基礎上配置，實現小型化;制造成本低，不需要特殊控件或零件;問題簡單化，均衡充電過程獨立于充電過程，可獨立設定外部電流和電壓。

使用主動均衡充電技術，可使串聯蓄電池循環壽命達到類似的單體電池壽命。研究結果證實，只有將電壓不平衡保持在低水平，才能保持性能不會下降。只有電壓不均衡度低于10mV/單元電池，才會有上述優勢。實際應用中，一旦均衡充電到位，蓄電池組總體性能改善明顯，SOC可在0～100%范圍內恢復而不顯現任何不平衡。

五、結論

對短蓄電池組系列，可以用傳統的被動均衡充電。但對高容量蓄電池組，由于蓄電池塊數增多，被動均衡充電迅速失去效力。蓄電池組均衡充電益處明顯:循環壽命更長，故障模式更少，維修簡單，因此蓄電池組應用均衡充電可節約成本。有效利用串聯蓄電池組需要單元-單元的SOC匹配以保持性能。一般來說，SOC匹配可以通過精確的電壓匹配實現。對鉛酸蓄電池，電壓匹配為10mV/單元電池。參考文獻［5］提供的技術，無需傳感器或控制，能完美匹配電壓，是已知的成本最低的主動均衡充電方法。至今所有結果表明，它可以成功地實現均衡充電性能改進。

參考文獻

［1］Lohner A，Karden E，DeDoncker R.W.Charge equalizing and lifetime increasing with a new charging method for VRLA batteries.Proceeding of IEEE International Telecommunications Energy Conference，1997:407 ～411

［2］West S，Krein P T.Equalization of valve-regulated lead-acid batteries:issues and life tests.Proceeding of IEEE International Telecommunications Energy Conference，2000:439～446

［3］時瑋，姜久春，李索宇，賈容達.磷酸鐵鋰電池SOC估算方法研究［J］.電子測量與儀器學報，2010，24(8):769～773

［4］冉建國，陳勝軍.通過電池均衡提高鉛酸蓄電池組壽命［J］.電源技術，2006，30(7):576～577

［5］Pascual C，Krein P T.Switched capacitor system for automatic series battery equalization.Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conference，1997:848～854