電動汽車動力電池組串聯充放電均衡控制研究

賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934）

電動汽車動力電池組串聯充放電均衡控制研究

賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934）

電動汽車的應用普及對現階段的節能環保治理有重要意義，電池組的使用壽命以及性能嚴重制約著電動汽車的普及應用，本文在采納前人部分實驗數據的基礎上，將電池組充電均衡控制和放電均衡控制結合起來，測試出合適的充放電均衡點，應用于電動汽車電池組，能有效延長電池組使用壽命，降低電動汽車的生產成本。

電動汽車；串聯電池組；充電放電；平衡控制點

一、緒論

1. 研究背景

隨著社會的發展與進步，節能和環保已成為人們普遍關注的問題。隨著電動汽車的各項技術不斷進步和完善，現階段的電動汽車技術方面便進入了瓶頸階段。蓄電池串聯充放電不一致的問題便是制約電動汽車技術發展的瓶頸之一。被串聯的各個蓄電池在其充放電過程中的節奏存在個體差異，導致某些蓄電池的使用壽命較短，而大大縮短串聯電池組的整體使用壽命，甚至出現重大的安全事故，雖然不恰當地“促進”了電動汽車的更新換代，但是也提高了電動汽車的成本費用。當下，國內外對于電動汽車電池組充電均衡問題的研究較多，放電過程的均衡研究相對較少，本文在現階段充放電均衡問題研究的基礎上，進行分流均衡的充放電方案的嘗試與研究。

2. 內容及意義

（1）內容

本文進行的電池組串聯狀態下的充放電研究采用鉛酸蓄電池，此選擇有其優點：首先，鉛酸蓄電池各項技術成熟，成本低；其次本文認為鉛酸蓄電池提高的空間比較可觀。實驗內容為：通過對試驗過程中的實驗數據進行統計，建立電池組充放電的模型，將模型按照充放電均衡控制原則進行模擬試驗，最終得到較為適合的充放電均衡點。

（2）意義

電動汽車的普及具有深遠意義，電動車能源管理問題已是制約其普及應用的關鍵技術之一，電動汽車串聯電池組充放電均衡問題就顯得尤為重要，急待解決，還有就是均衡控制系統芯片SOC的開發，直接制約著電動汽車的開發成本的降低。國內外對電動汽車電池組的充電均衡問題已有較長時間的研究，而且已取得一定的研究成果，對于電動汽車電池組放電均衡問題的研究還偏少，存在的問題也較多，本文將電池組的放電均衡問題與充電均衡問題相結合，探究其整體的均衡控制方法及策略，對于降低電動汽車的制造成本和電池使用壽命的延長有著重要意義。

表1　

二、鉛酸蓄電池工作原理及充放電特征

1. 工作原理

鉛酸蓄電池是利用二氧化鉛（正、負電極）和硫酸（電解液）之間可逆的氧化還原反應產生負離子（e）的過程來完成供電的，其總反應化學式為：

和

充電過程中，硫酸鉛在電池的兩極分別發生還原反應，生成二氧化鉛和鉛，電解液中的硫酸濃度上升；放電過程中，硫酸鉛在電池的兩極（正極的二氧化鉛和負極的鉛）分別發生氧化反應，生成硫酸鉛，電解液中的硫酸濃度下降。正負兩極的反應化學式分別為：

負極電極板的反應化學式為：

和

正極電極板的反應化學式為：

和

2. 充放電基本特征

（1）鉛酸蓄電池充電的特征：

充電初期，電極極板內部活性物質孔隙內生成的硫酸濃度急速上升，擴散速度趕不上生成的速度，因此電池的電勢升高，此時電極極板的活性物質發生還原反應，生成二氧化鉛和海綿狀鉛，在端電壓變化曲線中的表現就是曲線的曲率較大。

充電中期，電勢增高幅度減緩。

充電后期，由于蓄電池內的活性物質基本反映完全，端電壓上升速度緩慢，最終區域平緩。在到達平緩段時，應及時停止充電，若在充電完成后未及時停止充電，尤其是使用電流較大的高速率充電器進行充電時，電池組內部的溫度和壓力就會急速升高，對電池內部造成損壞，嚴重時會出現電池爆炸的危險。

（2）放電過程與充電過程的原理類似，相當于是充電過程的逆過程，不再單獨敘述其過程。

三、充放電均衡控制思路

電動汽車動力是由多個電池單體通過串聯的方式連接而成，電池組的各個組成單體很難保證各項參數一致，在充放電的過程中就會出現個體差異，因為它們之間是串聯的關系，充電和放電過程中的電流是相同的，所以，在電池組整體進行充電放電過程中，各單體之間的充電和放電總時間會存在差異，采用統一的充電和放電時間，個別單體就會出現充電未完成而斷電或充電已完成仍在繼續充電的現象（放電過程亦是如此），而且會隨著充放電的次數的增加，個體差異增大。這種現象嚴重影響電池組的整體使用壽命，若能夠通過恰當的措施，通過改變電池組各單體的充放電電流或其他因素，將其充放電時間進行統一，便能很好地解決充放電總時間不一致的情況，有效地延長電池組的使用壽命。

四、充放電模型及均衡點的確定

1. 模型輸入輸出參數的確定

本文在前人測定實驗數據的基礎上進行深度研究探索，從儀表監測鉛酸蓄電池充放電過程中的各個參數中選擇合適的參數為建模的輸入和輸出參數。鉛酸蓄電池在充放電過程中的電流是比較穩定的，可以作為輸入參數。在實際可以測量出的數據中，電池的端電壓和溫度最能貼切地反映出電池充放電的狀態，但是若采用溫度為輸出參數，對于電池組周邊環境的溫度就要加以控制，使之維持在一個恒溫的環境中，實際操作難度表較大，故選用充放電過程中的端電壓作為輸出參數。

2. 充放電模型的建立

電動汽車電池組充放電過程相似，在充電過程中，隨著充電的進行，對于鉛酸蓄電池來講，充電電流逐漸下降對于電池的使用壽命延長有利，因此，選用型號為6-DA-150的電池，將充電電流分別設置成C、C/2、C/4的3個充電階段，結合以自適應神經模糊推理系統建立蓄電池的充放電模型，

3. 充放電均衡點的確定

（1）充電均衡控制點的確定

（a）充電時，將蓄電池的電壓浮動區間設置為14.7V～10.6V。

（b）將整個充電過程設置為3個階段，即C、C/2、C/4（C為充電電流）。

應用已經建立好的充放電模型，進行仿真實驗，進而確定蓄電池組充電均衡點。

實驗過程測得數據表1。

表1數據顯示：隨著A值的變化，充電過程的總時間會隨之變化，而且容量小的的電池組充電總時間會隨著A值的增大而縮短，容量大的電池組的充電總時間會隨著A值的增大而延長。在A值為0.085V時，容量大小的兩組電池充電總時間基本一致，可得出結論，充電時A值取0.085，可以保證兩組不同容量的電池組充電總時間一樣。

因充放電過程原理近似，不做過多說明。

結語

本文進行的電動汽車充電和放電系統的均衡控制方法，其實驗原型是采用鉛酸電池組進行的，所以研究和設計成果適用于鉛酸串聯電池組，電動汽車在應用本文的設計及控制系統，有效地避免了傳統電池組因充放電時間不一致和充放電電壓不穩等現象，保證了電池組的使用壽命，電池組的充放電均衡問題能夠得到基本解決，可普遍應用到電池組的設計及控制系統。

［1］郭炳昆，李新海，楊松青.化學電源—電池原理及制造技術［M］.長沙：中南工業大學出版社，2000.

［2］朱松然.鉛酸電池技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［3］桂超.鉛酸電池組的實時動態監控原理設計［J］.電源技術，1999，22（4）：27-29.

［4］郭亮.電動車用蓄電池充電技術的發展［J］.電池，2002，32（4）：245-246.

TM912

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