一種動力鋰電池均衡系統設計

楊立宏

YANG Li-hong

（中山火炬職業技術學院，中山 528436）

0 引言

鋰離子電池由于具有能量密度高、自放電率小、循環壽命長、重量輕等優點，逐漸成為動力電池的主流，但動力鋰電池工作電壓一般在3.2V左右，而在電動汽車等動力設備上使用時，電壓要求在48V～72V之間，因此需要將多節鋰電池串聯組成電池組使用。但鋰電池對充放電要求很高，當鋰電池串聯使用于動力設備中時，由于各單節鋰電池間內部特性的不一致，會導致各節鋰電池充放電的不一致，一節性能惡化時，整個電池組的特性都會受到限制，因此需要對串聯的電池進行均衡，保證在充放電過程中各單節電池的特性盡量保持一致，延長電池組使用壽命。目前鋰電池組均衡保護電路主要有電阻均衡、電容均衡和電感均衡等。電阻均衡屬于耗能式均衡，其均衡電流小，耗能高。電感式均衡電路比較復雜，成本也高。本文提出一種改進的開關電容法均衡電路，簡化了原有的開關電容法均衡電路，并可有效提高均衡效率。

1 系統概述

1.1 車用鋰電池組

本文論述的動力鋰電池組用于環衛車動力系統，采用32只標稱電壓3.2V，標稱容量20AH磷酸鉄鋰電池串并聯組合作為動力源。應用時，將性能接近的32只磷酸鉄鋰電池配容，2節電池并聯為1小組，16個電池小組串聯成整個動力電池組，這樣電池組的額定總容量為51.2V，40AH的動力系統，如圖1所示。

圖1 串-并聯鋰電池組

1.2 鋰電池組管理系統

鋰動力電池管理系統功能包括：16個單體電池小組的電壓、總電壓、充放電電流和電池內溫度檢測與監視，以及電池組在充放電過程中的均衡。本文重點討論的是電池組在充放電過程中的均衡。由于電池的開路電壓和其SOC（荷電狀態）有一定的對應關系，可以通過均衡開路電壓來均衡鋰電池的SOC。

目前均衡電路所采用的開關電容法是在每兩個相鄰的單體電池之間通過開關器件與一個電容并聯，這樣將能量從第1節電池傳遞到第n節電池需要經過n次能量轉移才能完成，這就限制了開關電容法的均衡速度。為此本文提出一種改進的開關電容電路，將電容C通過開關和單體電池并接，均衡電容可以從擁有最高電量的電池單元充電，然后將電量傳遞給最低電量的電池單元，這樣可以顯著減少電池組達到均衡的時間，尤其是當最高電量電池單元與最低電量電池單元位于電池組的兩端時。其電路原理框圖如圖2所示。

圖2 改進的開關電容均衡電路框圖

圖2中，使用MOS管作為開關器件，控制充放電電容和電池組中各單體電池的連接。在電池充放電過程中需要對電池組的單體電池均衡時，STM32控制器通過IO口控制驅動電路驅動MOS管，采用巡檢的方式，將每節單體電池分時和電容接通C，檢測各單體電池電壓。STM32處理器根據檢測電壓值，從而制定均衡策略。工作過程如下：STM32控制器首先控制單體電池B1和電容C接通，對電容充電。充電完成后，通過采樣電阻進行對電容兩端電壓進行采樣，得到B1的單體電池電壓，然后電池B2和電容C接通，采樣得到B2單體電池電壓，依此順序檢測到電池Bn結束。STM32處理器對采集的n個單體電池電壓進行比較，得到電池電壓由高到低的一個排序V1，V2,…,Vn。STM32根據這個排序，進行均衡。首先將電壓為V1的電池給電容C充電，充電完成后，電壓為V1的電池和電容C斷開，然后電容C接通電壓為Vn的電池，將電壓V1的電池能量傳遞到電壓Vn的電池，完成一次能量傳遞，依此重復多次，完成由電壓高的電能向電壓低的電池能量的傳遞。

2 均衡策略

2.1 均衡電容的選擇

均衡時要通過MOS管開關器件將均衡電容C并聯到對應的某一單體電池上，設線路上的電阻忽略不計，MOS管內阻為Rm，均衡等效電路如圖3所示。R1為電池小組等效內阻，U1為電池在開關閉合前的初始電壓；C代表均衡電容器容量，R2為其等效內阻，U2為電容在開關閉合前的初始電壓；設U為開關閉合后電池和電容穩定的電壓值。這里設定U1>U2，采用一階電路的三要素法可得到單體電池小組和均衡電容C兩端的電壓隨時間變化的函數。

圖3 均衡等效電路

電池電壓時間函數：

電容電壓時間函數：

則充放電電流為：

由上面的公式可以看出，電池能量轉移的速度與開關管內阻、電池的內阻、均衡電容內阻及電容容量有關，對于已選定的鋰電池，其內阻是已經固定了，開關管內阻選用合適的即可，那么可以通過選擇均衡電容器來提高均衡，由式（4）、式（5）可以看出，均衡電容的內阻不僅影響充放電時間常數，而且影響電容變化的初始速度。從式（2）可以看出，內阻越小，其衰減的時間常數也越小，初始速度越大，電壓變化速度的也越快。

根據以上分析，在選擇均衡電容時，應選擇內阻盡可能小的，這樣可以提高均衡的初始速度；對于容量的選擇，不能過大也不能太小。容量越大，由式（4）可知，電容充放電時間常數會增大，則均衡電容電壓變化速度越慢。由于均衡電容是將電壓高的電池部分電量轉移到電壓低的電池中，當電壓高的單體電池小組釋放能量給均衡電容充電時，我們希望電壓增長速度越快越好。

2.2 均衡控制算法

整個電池均衡管理系統應該包括數據采集，均衡控制和數據通信等，本文只針對均衡控制算法進行論述。當電池處于充放電狀態時，控制流程圖如圖4所示。

圖4 均衡控制算法流程圖

電池組處于充放電狀態時，均衡控制算法流程圖如圖5所示，m是鋰電池組中當前電壓最高的單體電池B(m)，n是鋰電池組中當前電壓最低的單體電池B(n),Ton是單體電池B(m)或B(n)并聯接通的時間，τ為接通時的充放電時間常數，其值為圖4中等效電阻和均衡電容容量C的乘積，即τ=(R1+R2+Rm)×C，ΔV為設定的均衡結束時允許的單體電池間的最大電壓差，Vm為單體電池B(m)的電壓值，Vn為單體電池B(n)的電壓值。

在充放電時，均衡控制算法首先通過巡檢各單體電池，找出電池組中電壓最高和電壓最低的單體電池的編號，并求出兩節單體電池的平均電壓Va。首先將均衡電容并聯到電壓最高的單體電池B(m)上，吸收電能，然后斷開均衡電容C和電池B(m)，將電容C和電壓最低的單體電池B(n)并聯為其充電。由電容充放電特性曲線可以知道，在其充電常數的1/3時間之前電容充電速度最快，而后充電速度變慢，為了保證均衡速度，均衡電容無論是與電壓高的還是電壓低的單體電池并聯，都不是直到兩電池電壓接近時才斷開，而是設定接通時間為充放電時間常數的1/3時就斷開。均衡電容一次充放電之后，再次采集均衡的兩節單體電池電壓，并求出電壓差，如果得到的電壓差大于設定的電壓差ΔV，則均衡電容依然在之前的兩節單體電池間進行能量轉移，否則重新巡檢電池組中各單體電池，找出新的電壓最高和最低的單體電池編號，重復上面的步驟進行均衡即可實現電池組中各單體電池的均衡。

3 實驗結果

測試中將32節單體鋰電池兩兩并聯，再進行串聯，組成51.2V/40Ah的鋰電池組。單體鋰電池參數為：標稱電壓3.2V，標稱容量20Ah，充電截止電壓3.65V，放電截止電壓2.0V，標準恒流充電0.3C，最大持續充電電流1.0C，最大放電電流3.0C。為了驗證均衡效果，在實驗前對各單體鋰電池進行了處理，選擇不同內阻和不同初始電壓的電池組成電池組。并且在相同的條件下進行了電池組不帶均衡的充放電實驗，以便進行對比。

在充電階段，先將鋰電池組0.3C恒流充電至58.4V，然后轉為恒壓充電，當充電電流降到0.02C時充電結束。在放電階段，直接使用環衛車的500W的直流電機作為負載進行放電。為保護個單體電池不被損壞，各單體電池均有過充和過放保護。在沒有均衡和有均衡兩種情況下分別進行充放電實驗，充放電時每隔20分鐘測量一次單體電池電壓。圖5和圖6分別是采集了電池組中的的8節單體電池的不同時間的電壓值繪制的曲線圖，圖5為沒有加入均衡電路電池組充放電時各單體電池情況，圖6為加入均衡電路后電池組充放電時各單體電池情況。

圖5 沒有加入均衡電路的單體電池電壓變化曲線

圖6 加入均衡電路的單體電池電壓變化曲線

從圖5可以看出，沒有加入均衡電路的電池組在充電過程中，個別電壓高的或者容量小的電池較快達到充電截止電壓，出于對單體電池的保護，充電截止，此時有些電池卻還未充滿，使得整個電池組儲能減少。同樣，在放電過程中，個別容量低的電池較快的達到了放電截止電壓，出于對單體電池的保護，放電截止，使得其他電池能量沒有得到充分利用。電池組加入均衡電路后，如圖6，充電階段不同狀態的電池隨著充電的進行，各單體電池電壓趨于相同，基本同時達到充電截止電壓，電池儲能增加；在放電階段，各單體電池電壓同步下降，基本同時達到放電截止電壓，各電池能量得到充分利用。

4 結束語

本文設計的動力鋰電池均衡電路，從實驗結果來看，在電池的充放電過程中，能夠將能量從高電壓的單體電池轉移到低電壓的單體電池中，使各單體電池電壓趨于一致，達到了均衡的效果。但從數據分析看，均衡后各單體電池電壓差還有一定幅度，均衡效果還有進一步提升空間。另外，盡管電池電壓基本能夠反映電池的儲能情況，但它們在整個充放電過程并不是完整的線性關系，因此均衡系統還要進一步的完善，能夠達到較理想的均衡效果。

[1]逯仁貴,王鐵成,朱春波.基于飛渡電容的超級電容組動態均衡控制算法[J].哈爾濱工業大學學報,2008,40(9):1421-1425.

[2]王震坡,孫逢春,張承寧.電動汽車動力蓄電池組不一致性統計分析[J].電源技術,2003,27(5):438-442.

[3]李平,何明華.一種鋰電池組均衡電路及其控制策略設計[J].電源技術,2011,35(10):1214-1217.

[4]LINZEN D,BULLER S,KARDEN E,et al.Analysis and Evaluation of Charge-Balancing Circuits on Performance,Reliability and Lifetime of Super-capacitor Systems[J].IEEE Transactions on Industry Applications.2005,41(5):1135-1141.