蓄電池組能量轉移型均衡充放電控制策略研究

王永科 張銀娟

摘? ?要：針對蓄電池組中單體電池的充放電特性存在不一致性的問題，文章提出一種基于儲能介質的能量轉移型均衡方案。通過試驗驗證，該充放電控制策略均衡、簡單、有效，可為后續開發電池管理系統提供研究基礎。

關鍵詞：蓄電池組;數學模型;均衡控制;能量轉移

動力電池對大電壓、大功率的實際需求不斷擴大，將小容量單體電池組成大的電池組是常用的解決方法。單體電池間在制造和使用過程中，有一定的充放電特性差異，隨著環境溫度的變化以及過度充電或過度放電等不良的使用，這種差異不僅影響電池組使用特性，還會導致電池組的使用壽命降低，甚至遠遠低于預期使用壽命。同時，隨著電池組充放電次數的增加，這種單體電池的充放電特性不一致性將愈趨明顯。

電池組的充放電特性取決于性能最差的單體電池。從均衡控制電池組入手，使得電池組單體電池達到充放電特性均衡一致的狀態，保證電池組正常使用特性和預期壽命[1-4]。電池組均衡的本質是使各單體電池間儲存和釋放的能量達到均衡，電池的荷電狀態（State of Charge，SOC）能精確反映電池間儲存和釋放的能量關系，基于此，提出一種新型的基于能量轉移的電池組充放電均衡控制策略，設計一套以蓄電池作為能量轉移載體的功率回路，均衡地判據選擇單體電池的蓄電池荷電狀態。

1? ? 電池組均衡控制策略

電池組均衡控制系統內部設置載體電池，通過載體電池實現電池組內部能量雙向轉移，以達到電池組單體電池的均衡充放電。

1.1? 蓄電池模型建立

將電池模型通過可控電壓源和內阻的形式表達[5-6]，電池模型表達式如公式（1）—（3）所示：

式中：E0為電池電壓常數值;K為極化電壓;Q為電池額定容量;A為指數區間電壓降落值;B為指數系數;q為電池放出的容量。

1.2? 均衡控制原理

單體電池SOC檢測過程和電池組均衡過程是電池組均衡控制系統工作的兩個基本狀態。

單體電池SOC檢查狀態時，通過檢測電池組各單體電池SOC，區分出電池組各單體電池SOC的大小，估算電池組平均有效的SOC值。當單體電池SOC檢測過程完成，均衡控制系統隨即進入電池組均衡過程。

電池組均衡過程是兩個能量轉移的過程，分別為載體電池充電狀態和載體電池放電狀態。

電池組均衡過程先由單體電池SOC大的電池向載體電池放電，即將SOC大的電池能量轉移到載體電池。當載體電池充滿或能量轉移完成時，載體電池停止充電，開始放電，即載體電池向單體電池SOC小的電池充電。當載體電壓下降到設定值或能量轉移完成時，此次電池組均衡過程完成。

單體電池SOC檢測過程和電池組均衡過程交替循環工作，通過轉移能量降低或消除單體電池間SOC的差值，最終完成電池組的均衡控制。

1.3? 系統電路拓撲結構

電池組均衡控制系統電路拓撲結構如圖1所示，B1—B4代表4個單體的電池組;B5代表載體電池，需要完成能量轉移時的充放電，L組和R組為兩級開關，都為升降壓斬波器。

2? ? 試驗驗證

采用2節鋰電池串聯，單體額定電壓3.2 V，容量50 Ah。載體電池額定電壓2.0 V，容量10? Ah。

當單體電池間SOC最大差值大于1%時，啟動均衡。單體電池間SOC最大差值不大于0.1%時，結束均衡。以電池組放電電流方向為正，設置充電電流為10 A，均衡載體電流為5 A，放電電流為10 A。

2.1? 充電不均衡試驗

電池組在充電階段中的均衡過程，取單體電池1的初始荷電容量SOC1=20.9%，單體電池2的初始荷電容量SOC2=20%。如圖2所示，在線試驗充電140 s后，SOC1=21.65%，SOC2=20.65%，達到啟動均衡的條件，均衡啟動，單體電池1開始以5 A電流向載體電池放電，在320 s電池1停止均衡放電，載體電池開始向單體電池2以5 A電流均衡充電，在500 s時SOC1=23.04%，SOC2=22.94%，達到均衡停止的條件，均衡結束。

2.2? 放電不均衡試驗

仿真電池組在放電階段中的均衡過程，取單體電池1的初始荷電容量SOC1=59.1%，單體電池2的初始荷電容量SOC2=60%。如圖3所示，在線試驗放電140 s后，SOC1=58.35%，SOC2=59.35%，達到啟動均衡的條件，均衡啟動，單體電池2開始以5 A電流向載體電池放電，在320 s單體電池2停止均衡放電，載體電池開始以5 A電流向單體電池1均衡充電，在500 s時SOC1=56.95%，SOC2=57.05%，達到均衡停止的條件，均衡結束。

3? ? 結語

一種基于儲能介質能量轉移的均衡控制策略，以單體電池的SOC作為電池組均衡的判據，設計均衡拓撲電路。通過對充電和放電階段的均衡進行了試驗驗證，該充放電控制策略均衡簡單有效，可以防止電池組過度充電和過度放電，為后續開發電池管理系統提供研究基礎。

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Research on battery group energy transfer type equilibrium

charge and discharge control strategy

Wang Yongke1， Zhang Yinjuan2

（1.Department of Electrical Engineering， Xuchang Electrical Vocational College，Xuchang 461000， China;

2.College of Electrical and Mechanical Engineering， Xuchang University， Xuchang 461000， China）

Abstract：Aiming at the inconsistency of charging and discharging characteristics of single batteries in batteries， an energy transfer equalization scheme based on energy storage medium is proposed. The experimental results show that the charging and discharging control strategy is simple and effective， which can provide a research basis for the subsequent development of battery management system.

Key words：battery pack; mathematical model; equilibrium control; energy transfer