純電動汽車動力電池組均衡充電技術研究

郭碧寶 朱里平 王梓帆

廣州市交通高級技工學校 廣東省廣州市 510540

電動汽車用動力電池組由多個單體電池串并聯而成，工作過程中，單體電池初期細微的差異在每次充放電的作用下會不斷被放大，經過多次充放電循環后，單體電池的不一致性會逐漸增大，進而導致電池組容量利用率的降低和循環壽命的縮短。因此，保證動力電池組內各單體電池的一致性是提高電動汽車性能、增加續駛里程的關鍵。均衡充電作為解決單體電池不一致的關鍵技術，其通過均衡模塊，對性能不一致的單體電池進行差異化充電，最終實現各單體電池間的電壓、容量等狀態的均衡。本文分析了單體電池性能不一致在循環充放電過程中對動力電池組壽命衰減速度的影響機理，研究了串聯電池組耗散型均衡充電控制系統的結構及電路模型，并推導了各單體電池的均衡電流、充電電流與電池組充電電流的關系，以此設計了串聯電池組耗散型均衡充電控制系統的控制策略。

1 單體電池不一致性原理

電動汽車動力電池組為了滿足容量、電壓等級的要求，其成組方式包括：先串聯后并聯以及先并聯后串聯，后者如圖1所示。

然而，電池生產過程中，由于材料和工藝上存在不一致，使得單體電池間會存在初期差異。由圖1可知，假設單體K在電池包1中的容量最小，在放電后期，單體K會首先達到

其放電截止電壓，當電池包1深度放電時，單體K很容易處于過放電狀態，這就會加快單體K的衰減速度。隨著充放電循環的進行，單體K與其它單體間的不一致性會逐漸增大，單體K的容量損失會提前達到額定容量的20%，由此加速整個電池組的衰減速度并導致其提前失效。

2 均衡充電控制系統分析

2.1 均衡充電控制系統結構

傳統的動力電池組充電方式包括兩部分，首先采用恒流充電，當達到截止電壓后采用恒壓充電，最后，采用均衡充電，其中，常用均衡充電控制系統結構如圖2所示，該系統由充電機、單體電池管理模塊、單體電池和單體電池均衡充電控制模塊構成。

在均衡充電過程中，系統根據電池組不同的充電狀態，由充電機向均衡充電控制系統輸出電流 ；由各均衡充電控制模塊監測各單體電池的電壓、電流等狀態，并將各單體的工作狀態反饋給充電機，依次調節充電機的充電狀態及輸出電流；同時，均衡充電控制模塊通過相應的控制策略調節各單體的充電電流使所有單體均衡地進行充電。常見的均衡充電電路有耗散型和非耗散型電路，其中，耗散型均衡電路具有簡單可靠的優點廣泛應用于電動汽車電池管理系統中，如圖3所示。

由圖3可知，在第j個單體電池充電過程中，通過控制均衡開關Sj（j=1，2…，n）的開閉時間，可獨立調節該單體的充電電流，其中，Sj通常采用功率MOSFET管，其電阻可忽略，則該單體的充電電流可表示為

圖2 均衡充電控制系統結構

圖3 串聯電池組耗散型均衡充電電路

由公式（1）可知，針對不同狀態，通過PWM調節Sj的開閉合時間占比，可實現各單體電池的區別性充電，保證各單體電池狀態的均衡，從而消除充電過程中單體電池不一致性對電池組性能的影響。

2.2 均衡充電控制系統模型分析

對于圖3所示的耗散型均衡控制電路，其第j個單體電池的均衡充電等效模型、串聯電池均衡充電模型分別如圖4（a）、4（b）所示，其中，Zj為第j個單體電池的特性函數，Ej為其均衡控制函數。

圖4 單體電池及電池組均衡電路等效模型

由圖4（a）所示，第j個單體電池的輸出電壓可表示為

由圖4（b）所示，在串聯電池組的充電過程中，ij≤I′始終成立，該電池組均衡充電控制函數可表示為

3 均衡充電控制系統的控制策略

由圖2可知，均衡充電系統通過監測各單體電池的電壓和充放電電流，計算其剩余容量，確定各單體的狀態進而調節其充電電流至最佳值，使所有單體電池的電壓、容量等參數達到一致。對于各均衡充電模塊，均衡開關由脈寬調制信號控制，其占空比 可表示為

式中，U1，U2分別為均衡充電控制閾值的上限、下限。

由公式（1）可知，第j個單體電池的充電電流可表示為

在串聯電池組中，由于均衡充電系統的均衡作用，通過均衡控制策略，使得各單體電池的充電電流不盡相同，可以使電池組的單體電池差異保持在合理范圍內。

4 均衡充電系統充電實驗及其結果

基于以上對耗散型均衡充電控制系統的分析及控制策略的設計，本文采用4個同批次的10Ah磷酸鐵鋰動力電池進行了均衡充電實驗，恒流充電電流為0.5C，均衡電流取值為0.02C，其均衡充電曲線如圖5所示，實驗溫度為25℃。

由圖5可知，均衡充電控制系統對未達到截止電壓的實驗電池進行了均衡充電，其中，電池1、電池2、電池3、電池4分別均衡充電了139.8min、139.7min、146.1min、141.7min，驗證了該均衡充電控制系統的可行性。

圖5 單體電池均衡充電電壓曲線

5 結語

本文研究了單體電池性能不一致性在循環充放電過程中對電池組衰減速度的影響機理，分析了串聯電池組耗散型均衡充電控制系統的結構及其等效電路模型，設計了串聯電池組耗散型均衡充電控制系統的控制策略。并在均衡充電控制系統的分析及設計的基礎上，對10Ah磷酸鐵鋰動力電池進行了均衡充電實驗，實驗結果驗證了該均衡充電控制系統的可行性。