基于鈦酸鋰電池的離線均衡研究

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(1.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044；2.北京交大創新科技中心，北京 100044)

Research on Off-line Equalization Based on Lithium Titanate Battery

LU Changhai 1，LIU Biao1，2，ZHAO Peng1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

基于鈦酸鋰電池的離線均衡研究

陸長海1，劉彪1，2，趙鵬1

(1.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044；2.北京交大創新科技中心，北京 100044)

Research on Off-line Equalization Based on Lithium Titanate Battery

LU Changhai1，LIU Biao1，2，ZHAO Peng1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

摘要：以東芝鈦酸鋰電池組為研究對象，設計電池組的均衡方案，選擇了能耗型均衡方式來實現電池組均衡，并且對不同情況下的電池組進行均衡實驗。最終驗證設計方案可靠，能對電池組進行有效均衡，從而提高了電池組的利用效率。

關鍵詞：電池組；鈦酸鋰；均衡方案；均衡實驗

中圖分類號：TN86

文獻標識碼：A

文章編號：1001-2257(2015)10-0020-03

收稿日期：2015-06-30

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61401017)

Abstract：We designed the equalization strategy for Toshiba lithium titanate battery pack and the equalization circuit is energy consuming. Moreover，we conducted the equalization experiments on the battery pack under different conditions. The design is proved reliable to balance the battery pack and improve the utilization efficiency of them.

作者簡介：陸長海(1990-)，男，江蘇興化人，碩士研究生，研究方向為檢測技術與自動化裝置；劉彪(1982-)，男，河北保定人，博士后，講師，研究方向為數據通信與控制網絡；趙鵬(1990-)，男，河北保定人，碩士研究生，研究方向為數據通信與控制網絡。

Key words：battery pack；lithium titanate；equalization strategy；equalization experiment

0引言

鋰離子電池以其優良的性能被認為是電動汽車的理想能源。鋰離子單體電池的電壓和容量都無法滿足電動汽車應用、儲能應用的需求，為使其能達到電壓、功率、能量的等級要求，通常將單體電池串并聯成組后使用。而各單體電池的初始容量，內阻，電壓皆不完全相同，且實際電動汽車行駛工況復雜多變，電池的充放電頻繁，這都會使電池組里的單體電池產生電壓容量的不一致，從而降低了電池組的利用效率，縮短了電池組的使用壽命。因此提出有效的電池控制和均衡方法成為電動汽車研究和開發的重要課題之一。

1實驗電池性能

選擇東芝標稱容量為20 Ah的鈦酸鋰電池為實驗對象，以0.5C給實驗電池進行充放電，每次沖電或放電5%SOC的電量，靜置2 h后，得到如圖1所示的充放電情況下的OCV-SOC折線圖，從圖中可以看出充電和放電情況下測到的OCV-SOC曲線有細微的不同，導致這個現象的原因可能是電池SOC從0%～100%各階段在充電和放電情況下，正負電極上的活性物質結構不同。但是不管是充電還是放電情況下的曲線，OCV和SOC有很好的對應關系，不存在平緩的區域。

圖1　SOC-OCV對應曲線

2均衡控制原理

電池組均衡實際上是對電池荷電狀態(SOC)的均衡，均衡方案主要分為能耗型和非能耗型兩種。能耗型均衡的主要思想是在電池充放電過程中，對電池組中電壓最高的單體電池通過并聯電阻分流實現能耗均衡，電路實現簡單，易于操作。非能耗型均衡是通過電容、電感等儲能元件，使能量在單體電池問或系統內部轉移，比較節能但是電路復雜，成本較高。按照時效性分為在線均衡和離線均衡兩種方式，在線均衡即是在電池使用過程中均衡，離線均衡是在電池非工況下給電池均衡。在線均衡電流較小，均衡速度較慢，且容易在電池內部產生多余的熱量。因為離線均衡電流更大，考慮到經濟性和效率性，采用能耗型的離線均衡方式。

均衡有兩種模式，一種是手動均衡模式，即可以設定任何一節電池的電壓，然后電池單體通過充放電到達各單體電池指定電壓；另一種是自動均衡模式，讓系統自動判別各單體是否滿足均衡條件(設定條件為電池單體電壓差大于10 mV)，根據不同的情況給各電池單體充放電。由于鈦酸鋰電池較好的外電壓特性，可以用電壓來作為均衡的判別依據，如圖2所示，當均衡電路工作時，通過控制開關管S1，S2…Sn給電池放電，或者SW1，SW2，…，SWn給電池充電。另外均衡容量，均衡時間以及均衡電流有如下關系：

(1)

圖2　均衡電路原理

C為均衡容量;i(t)為均衡電流，t1—t0是時間差。由原理可知，當單體電池容量偏高，就通過放電電阻R給其放電，讓它向較低電壓靠攏；單體電池容量偏低，就采取給其充電的方式，抬高其容量。

3均衡總體設計

總體均衡設計如圖3所示，主控模塊通過CAN總線和從控模塊通信；從控模塊是一個均衡控制模塊且采集各單體電壓，每個從控模塊控制6個電池，在均衡過程中完成電壓采集并檢測電池均衡狀態，利用485串口與人機界面進行上行通信。均衡模塊負責根據電池狀態給電池充放電，主要是給12個串接電池進行監控均衡。

圖3　總體均衡設計

4實驗測試

實驗采用的是均衡方案，選擇的是12個Toshiba 20 Ah的鈦酸鋰電池級聯成為電池組，模擬整組電池離線均衡實驗。電池在使用后，一般出現如下3種情況，第1種是整個電池組有一個單體電池電壓偏高，第2種是整個電池組有一個單體電池電壓偏低，第3種是電池組各單體電池高低不均。

如表1中數據所示，電池組在使用一段時間后已經出現電池5電壓明顯高于其他電池單體，給電池組用6 A恒流充電，當電池5達到電壓上限2.7 V時，停止充電，從圖4可以發現，其余電池單體均沒有充滿，只有85 %SOC左右的容量，靜置過后整組放電至SOC=0，即電池組中任何一單體電壓到1.5 V便停止放電，得到可用的放電容量約為17.19 Ah，較電池的標稱容量20 Ah有較大差別，電池容量利用率較低。

表1　第1種電池狀態　V

圖4　第1種狀態電池組整組充電

先將電池組恢復至表1的電壓狀態，利用均衡電路給電池組進行均衡，將12個串聯電池接上，啟動均衡。在手動均衡模式下，電池5在放電，最終靜置電壓為2.133 V，最高為電池6 2.134 V，其余電池基本在2.132 V或者2.133 V，電池組單體電壓基本一致，第1種狀態電池組整組均衡如圖5所示。以6 A將電池組充滿，靜置后再放電至SOC=0，可以得到可用放電容量為19.86 Ah，經過均衡后的電池組，很明顯可用的放電容量增大，電池利用率也提高了。

圖5　第1種狀態電池組整組均衡

再取一電池組，經過使用后的狀態如表2所示。電池4的電壓明顯小于其余電池單體的電壓，給電池組恒流6 A充電，當任一電池電壓到達2.7 V停止充電，如圖6所示，當其余電池幾乎充滿時，電池4還相差較大，靜置后，放電至SOC=0，放電容量為17.06 Ah，很明顯利用率不高。

表2　第2種電池狀態　V

圖6　第2種狀態電池組整組充電

先將電池組恢復至表2的電壓狀態，利用均衡電路給電池組進行手動均衡，將12個串聯電池接上，啟動均衡。如圖7所示，電池4充電至和其余電池相差無幾，靜置之后，都維持在2.188 V左右。以6 A將電池組充滿，靜置后再放電至SOC=0，得到可用放電容量為19.73 Ah。

圖7　第2種狀態電池組整組均衡

最后一種情況是電池經過長時間的使用，出現了各種電池容量的不均衡，體現在開路電壓上就是各電池單體電壓高低不均。取一組鈦酸鋰電池組，電壓數據如表3所示。

表3　第3種電池狀態　V

如圖8所示，電池組在6 A恒流充電下，一部分高容量電池先充滿，剩余低容量的電池并未充滿，靜置后，放電至SOC=0，放電容量為17.56 Ah。

圖8　第3種狀態電池組整組充電

接上均衡電路設備，均衡曲線如圖9所示，由于采用自動均衡方式，系統每均衡一段時間，便停下幾秒檢驗電壓差，所以曲線呈凹凸狀。最終電池電壓都分布在2.166 V到2.175 V之間，最大壓差僅為9 mV，改善了電池的不均衡性。按上述方法最終放電至SOC=0時，放電容量為19.12 Ah。

圖9　第3種狀態電池組整組均衡

5結束語

均衡設計離線均衡方案，是在電池組非工作狀態下進行均衡維護，這樣均衡電流較大，能夠快速均衡，提高效率。其次采集電池電壓精度較高，確保能準確地測出電壓差值和判斷均衡的條件。整體均衡方案的簡單易行，在3種不同的電池組狀態下，都能很好的控制電池的容量，拉近各單體的容量，提高電池組的可用容量和利用效率，對電動汽車的電池維護具有實用意義。

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