鋰離子電池組充電均衡控制系統(tǒng)分析

高方綺，趙增輝

（西安培華學院 智能科學與信息工程學院，陜西西安610125）

關鍵字：鋰離子電池組；新能源汽車；均衡控制策略；SOC估算

隨著近年來國家對大氣污染治理的越來越重視，新能源汽車得到了迅速發(fā)展，成為逐漸替代傳統(tǒng)燃油車的最佳交通工具，伴隨著新能源汽車的高速發(fā)展，其產(chǎn)量日益提高、技術日趨完善，但續(xù)航能力卻一直阻礙著新能源汽車的推廣[1-2]，對于新能源汽車來說，其電能部分主要依靠大量串聯(lián)的鋰電池組進行能源供給[3]，為了提高新能源汽車的續(xù)航能力，學者在電池方面進行了大量的理論和試驗研究，發(fā)現(xiàn)影響新能源汽車續(xù)航能力的重要因素之一就是鋰電池組中單個電池的不一致性問題，也即單個電池出現(xiàn)的問題會影響整個電池組的工作效率，進而影響鋰電池組的利用效率，降低相應的使用壽命[4-5]，針對上述問題，學者也進行了相關研究[6]，但鮮有從整體模塊方面進行考慮，為此，本文從鋰電池組使用壽命最大化角度出發(fā)[7]，根據(jù)鋰離子電池不同工況下的電壓與SOC關系，提出電池組的均衡控制策略，設計搭建了鋰離子電池組均衡控制電路實驗模型，并進行了試驗驗證，試驗結(jié)果顯示，鋰電子電池均衡控制策略對單個電池的不一致性有著明顯的改善作用。

1 鋰離子電池組的控制模型

鋰電池組中單個電池的不一致性問題，包含對應的電流、電壓以其他特性的不一致問題，會嚴重影響整個電池組的工作效率，進而影響鋰電池組的利用效率，降低對應的使用壽命電動汽車的鋰離子電池單體電池之間的不均衡，可以通過對其狀態(tài)進行監(jiān)測識別，超出限定值則對其進行均衡控制，從而達到減小電池組單體之間匹配失衡問題，進而可以提高新能源汽車鋰電池組的使用效率及相應的循環(huán)使用壽命[8-10]。

1.1 均衡控制策略

鋰電池組的控制策略的主要目標就是降低電池電量的損耗，而電池電量損耗主要就是能量耗散和非能量耗散，前者將部分能量以熱量的方式消耗掉，消耗率高達百分之十幾，能量損失弊端明顯；而后者能夠?qū)⒉煌芰康碾姵剡M行匹配，將高能電池補償?shù)湍茈姵?，降低整體的能量損耗，但這種方式最大的問題就是電路結(jié)構(gòu)設計非常復雜[11-12]，因此，本文基于電池組的SOC算法估算電池消耗，進而采用主動均衡控制策略進行電池組能量的控制。

所謂的鋰電池組均衡控制策略主要是對電池組進行充電、放電和待機三種方式進行平衡[13]，均衡控制的工作流程一般是：首先對電池組的工作狀態(tài)進行識別，也就是對電池組是處于充電、放電、擱置三種狀態(tài)的判斷；通過電池組的SOC算法計算單個電池的剩余能量，從而判斷整體電池組的能量差是否處于均衡狀態(tài)，未達到均衡指標則無需進行均衡控制，達到均衡指標則按照控制策略進行均衡控制，控制過程中要對電池狀態(tài)進行實時監(jiān)控，一旦均衡指標降低到控制范圍外即停止均衡控制，相對應的均衡控制策略如圖1和2所示。

圖1 充電狀態(tài)的平衡控制

圖2 放電狀態(tài)的平衡控制

1.2 鋰離子電池SOC估算

鋰電池組電量的估算主要是通過SOC算法進行[14-16]，而影響SOC的因素很多，一般從內(nèi)部因素和外部因素兩方面進行間接判斷，影響SOC的內(nèi)因由電池自身的內(nèi)阻和端電壓引起；外因由電池自身的內(nèi)部電流及溫度等引起。

電池電量SOC算法的主要定義為可配置電量與電池放電容量之間的比值，具體計算方程如下：

式中：QC為電池組可用能量；CI-電池組放電時的可用能量。

另外電池電量SOC算法的還可定義為電池充滿電量與可用電量之間的比值，具體計算方程如下：

式中：QC為電池組充滿電量；CI-電池組整體可用能量。

對鋰電池組的電量SOC估算通常采用電壓法和積分法進行聯(lián)合計算，將SOC值分為兩部分：SOC起始值和SOC工作值。對于SOC的起始值通常在兩種狀態(tài)下衡量，第一種狀態(tài)是電池組的穩(wěn)定狀態(tài)，通過電壓值與SOC關系曲線來得到，另一種方式是電池組不穩(wěn)定狀態(tài)，不穩(wěn)定狀態(tài)下，SOC的初始值通過最后一次充放電結(jié)束的狀態(tài)來衡量，而對于SOC的工作值是通過電池組充電量與定容量比值進行核算，由于用到了安時積分法計量充放電電量，值得注意的是，安時積分法在充放電過程中，由于倍率不通，充放電的容量也會有所不同，因此在使用安時積分法時要充分考慮這一因素影響。根據(jù)以上提出的計算方法，將初始值定義為SOC0，當電池處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，如充電或放電狀態(tài)，利用采樣電路分別采集充電電流、放電電流，通過單片機和軟件程序進行電流的積分求解，從而得到鋰電池組的充放電電量。

1.3 鋰離子電池組均衡控制系統(tǒng)

對于鋰電池組的均衡控制系統(tǒng)主要通過總線方式將鋰離子電池的狀態(tài)信息與車載電腦進行實時信息反饋，從而確保電池能量發(fā)揮到極致，保證電池安全的系統(tǒng)。鋰電池組的信息模塊主要包含控制模塊、電源模塊、采集模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊以及SOC處理模塊組成。對于鋰電池組的均衡控制系統(tǒng)主要包含以下功能，（1）電池組整體特性的實時監(jiān)測，通過對電池組外部特性，比如電流、電壓等參數(shù)，通過一定的算法，估算電池組內(nèi)部參數(shù)，實現(xiàn)對電池組內(nèi)部特性的監(jiān)測。電池組內(nèi)部參數(shù)是均衡控制的基礎，因此這種通過外部來監(jiān)測內(nèi)部的功能是非常重要的。（2）在第一步監(jiān)測電池組內(nèi)部狀態(tài)的基礎上，對電池進行一系列的管理，如熱、充電、放電、均衡控制、故障預警等。（3）通過建立通信總線，與整車控制系統(tǒng)、充電機、顯示系統(tǒng)等設備實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換共享。

圖3 新能源汽車的鋰電池組均衡控制系統(tǒng)圖

2 均衡控制系統(tǒng)硬件電路設計

本論文的鋰離子電池組均衡控制系統(tǒng)以Freescale公司的16位微控制器MC9S 12DG128為控制核心，主要包括四部分：電源模塊、采集模塊、SOC處理模塊以及數(shù)字化功能顯示模塊，其中溫度等狀態(tài)的采集模塊是通過微傳感器、單片機以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊進行采集獲取，根據(jù)采集到的電池狀態(tài)信息進行對應的控制策略設計，其中控制模塊根據(jù)采集信號協(xié)同SOC處理模塊進行電池組狀態(tài)的控制，從而實現(xiàn)電池組的均衡充電。均衡模塊包含MOSFET開關陣列，通過主控制器實現(xiàn)開關陣列來切換均衡模塊。場效應管MOSFET的選擇，要充分遵循多方面的限制條件及要求，本文均衡控制系統(tǒng)，采用Fairchild Semiconductor公司生產(chǎn)的FDD8424型N&P溝道功率MOSFET，該型號場效應管的最顯著特點為一個N溝道和一個P溝道MOSFET集成，集成后的MOSFET參數(shù)為：最大電流限值20A，D/S極最高端電壓值為40V，P溝道MOSFET的最低端電壓值為-40V。除此之外，場效應管MOSFET是PowerTrench專有工藝制成，這種工藝具有MOSFET的導通阻抗較小的優(yōu)點，導通阻抗一般小于等于30 mΩ，導通上升時間保持在在20 ms以下，導通下降時間也控制在20 ms以下。該場效應管的導通阻抗較低、導通時間較快這兩大優(yōu)點，對于均衡電路的應用是非常適用的。

圖4 均衡控制電路

3 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)以上給出的鋰電池組均衡控制策略及軟硬件電路設計，設計出對應的試驗測試模型，具體試驗測試模型如圖5所示。

圖5 均衡控制系統(tǒng)實驗

整體鋰電池組采用多節(jié)鋰電池進行串聯(lián)，具體的電池組的參數(shù)如表1所示：

表1 鋰離子電池組技術參數(shù)

3.1 開路電壓與SOC的關系

根據(jù)本文前述部分給出的控制電路以及對應的SOC計算方法，通過試驗測試進行數(shù)據(jù)采集，并繪制電壓與SOC的對應關系曲線圖，如圖6所示，具體實驗條件是：環(huán)境溫度21～26℃，設置10個采集點。首先是初始值的采集，一般取電池在100 mA的相對穩(wěn)定的小電流放電情況下，電池的電量完全釋放，由此可積分求解出SOC電池組的初始值。對10個采集點進行SOC值采集，將電池進行放電操作，放電到一個采集點停止放電，用安時積分法計算對應的SOC1值，再放電到第二個采集點停止放電，用安時積分法計算對應的SOC2值，以此類推采集第十個采集點的值計算出對應的SOC10值，根據(jù)獲取的多個采集點的電壓與SOC計算值，繪制成對應的曲線，從而得到了電壓與SOC工作值的關系曲線圖。

圖6 開路電壓與SOC的關系

3.2 充電曲線

鋰電池組的充電方式采用恒流充電與恒壓充電兩種方式組成，鋰電池組的充電電流控制在400 mA-2 A之間，電池的最低電壓為3.35 V，實驗環(huán)境溫度23℃，容量最小的單體電池的容量作為電池組的初始容量。第一階段：恒流充電包含了將電流降低為600 mA，當充電電壓繼續(xù)增加，進入恒壓充電階段，從而使電流下降到低值進而停止充電。根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)和3.1小節(jié)得到的實驗結(jié)果，可計算出電池的初始值SOC0是8%。

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，得到充電電壓曲線如圖7所示，充電電流和SOC曲線如圖8所示。從圖8中可以看到，SOC值為0.3C的電流，完成電池充電需要大約4小時。在前半段的恒流部分，SOC值、電壓值隨充電時間的增加以一定斜率上升，后半段電壓值達到上限后，進行恒壓充電壓充電，此時SOC、總電壓曲線趨于緩和。總的來說，電池充電的初始階段即恒流階段，電池電壓上升比較快，一段時間后電壓上升呈現(xiàn)線性化，上升幅度趨于穩(wěn)定，直到第二階段恒壓充電，本文給出的恒流和恒壓組合的充電方式最大的優(yōu)勢就是電池的充電飽和度有了對應的保護作用，可以有效的對電池的使用壽命進行延長。

圖7 充電電壓曲線

圖8 充電電流和SOC曲線

3.3 電池恒流放電曲線

恒流放電對應的試驗環(huán)境為25℃，相應的試驗條件為：放電倍率分別為0.2C，電流值400 mA、0.4C，電流值800 mA和0.5C，電流值達到1000 mA進行恒定電流放電，圖9為不同放電速率下的電壓曲線，從圖9中可以看到，放電電流對放電狀態(tài)有了持續(xù)影響，具體的結(jié)果如下所述：初始電壓值相同的電池組，分別進行不同恒定值的電流放電，以0.2C放電到21V需要的時間約為3.6小時，以0.4C放電到21V需要的時間約為2.2小時，以0.5C放電到21V需要的時間約為1.3小時，當電池組停止放電處于開路狀態(tài)時，由于電池的自恢復效應，電池端電壓逐漸上升，一定時間后達到穩(wěn)定狀態(tài)，同時從圖9中可以看到，放電電流越大，鋰電池組的電壓下降越快。另外，從圖中還可以看到，放電電流0.5C>0.4C>0.2C，對應的電池自恢復電壓V0.5C>V0.4C>V0.2C，也即放電的電流越大，對應的鋰電池組的穩(wěn)壓越高，根據(jù)電壓與SOC的關系可得，放電電流的大小影響了鋰電池組的穩(wěn)定電壓，對應的穩(wěn)壓電壓越高，電池容量越大，因此可以得到鋰電池的剩余電量與放電電流呈成本的曲線關系。

圖9 不同放電倍率下的電壓曲線

5 結(jié)論

隨著新能源汽車中應用越來越廣泛，作為新能源汽車的主要電能供給-鋰電子電池的壽命問題成為研究的熱點，為了解決鋰離子電池組在充電過程中存在不均衡的現(xiàn)象，根據(jù)鋰離子電池不同工況下的電壓與SOC關系，提出電池組的均衡控制策略，設計搭建了鋰離子電池組均衡控制電路實驗模型，并進行了試驗驗證，試驗結(jié)果顯示，本文提出的鋰電子電池均衡控制策略對單個電池的不一致性有著明顯的改善作用，并且理論估算值與真實值一致性較高。