以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略

孫筱琳

摘 ?要：電池是移動能源，其對于電池的能量密度、體積、充放電特性等都有著極高的要求。鋰離子電池是一種良好的能量電池，現(xiàn)今被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦等移動設(shè)備中，但是由于其價(jià)格昂貴，因此在將其用作動力電池時(shí)多采用的是眾多鋰離子電池串并聯(lián)形成電池組的方式。文章在分析鋰離子電池組充電特性的基礎(chǔ)上提出了一種基于鋰離子電池剩余容量估計(jì)的鋰離子電池組充放電均衡策略，在提高充放電效率的同時(shí)增強(qiáng)鋰離子電池組的使用壽命。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池組;充放電特性;均衡控制

中圖分類號：TM912 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2020）20-0124-02

Abstract： Battery is a kind of mobile energy， which has high requirements for energy density， volume， charge and discharge characteristics and so on. Lithium-ion battery is a kind of good energy battery， which is widely used in mobile devices such as mobile phones， notebook computers and so on. However， because of its high price， many lithium-ion batteries are often used as power batteries in series and parallel to form battery packs. In this paper， based on the analysis of the charging characteristics of lithium-ion battery pack， a charge-discharge equalization strategy based on the estimation of residual capacity of lithium-ion battery is proposed， which can not only improve the charge-discharge efficiency， but also can enhance the service life of lithium-ion battery pack.

Keywords： lithium-ion battery pack; charge and discharge characteristics; equalization control

前言

動力電池是新能源產(chǎn)業(yè)的核心之一，高性能的動力電池采用鋰離子電池所組成，單一大容量鋰電池的成本較高，因此在電動汽車上所使用的鋰電池采用的是單一小容量的鋰電池串并聯(lián)而成，通過對所組成的電池組進(jìn)行控制優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對于鋰電池的高效利用。但是由于單一鋰電池的性能差異其在充放電的過程中存在著電池容量和電荷狀態(tài)不均衡的問題，而這一不均衡的問題將隨著充放電次數(shù)的增多而加劇。為解決這一問題本文提出了基于鋰電池剩余電量估計(jì)的均衡控制策略，用以增強(qiáng)電池的充放電性能，提高電池的使用壽命。

1 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略特點(diǎn)

本文所介紹的以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略其核心在于控制電池在充放電狀態(tài)下的剩余電量，通過在電池中應(yīng)用此均衡策略目的在于確保鋰電池在充放電的狀態(tài)下保持充滿和放空的一致性，避免在充放電的過程中出現(xiàn)過充或是少充的問題，以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的特點(diǎn)在于提高了充電的均衡性，同時(shí)此策有效減少了電池在充放電狀態(tài)下電荷的轉(zhuǎn)移量，從而使得充放電損耗得到了極大降低，提高了鋰電池的使用壽命。

2 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的原理

2.1 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電均衡電路

本以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略利用了一種電感儲能均衡電路，該電路的結(jié)構(gòu)如下圖1所示，從圖1中可以看出該均衡電路所使用的模塊主要包含了兩個(gè)MOSFET和一個(gè)電感。此電路中所含有的MOSFET在關(guān)斷時(shí)受到此電路中所含有的寄生二極管的影響無法雙向阻隔電流，而是只能阻隔單方向上的電流。借助于MOSFET控制電感的方式可以實(shí)現(xiàn)對于單體電池之間的電量遷轉(zhuǎn).在圖1中，利用PWM信號對其中的開關(guān)S1和S3并關(guān)閉其他的開關(guān)將能夠使得單體電池B1的電量向電池B2輸送，其中在每個(gè)PWM信號的周期內(nèi)電量的輸送將被分為4個(gè)區(qū)間。在第一個(gè)區(qū)段內(nèi)，S1處于接通狀態(tài)從而控制單體電池BI向電路中的電感L1充電，并以施加在電池端的電壓、電感值等參數(shù)完成了一個(gè)周期內(nèi)電池內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移量的計(jì)算公式，電荷轉(zhuǎn)移量和電壓成正比、和電感成反比，為確保電感能夠發(fā)揮出最大的性能需要設(shè)定合適的占空比。在第二個(gè)區(qū)段內(nèi)，S1開關(guān)斷開則電池B1將不再向電感L1內(nèi)充電，在第二區(qū)段內(nèi)其時(shí)間長度將比開關(guān)開、斷所需要的時(shí)間大，區(qū)段二是必不可少的。如果缺少第二區(qū)段將會出現(xiàn)S1開關(guān)和S3開關(guān)同時(shí)閉合的問題。當(dāng)S1開關(guān)和S3開關(guān)同時(shí)閉合時(shí)電池B1和B2就將發(fā)生短路，從而影響電池的充電效果。此外需要注意的是，在第二區(qū)段內(nèi)為保證充放電正常需要為電感L1設(shè)置相應(yīng)的放電回路用以避免其電壓持續(xù)升高而燒毀。在區(qū)段3內(nèi)，S3開關(guān)將導(dǎo)通，電路中充電完成的L1將向電池B2內(nèi)充電，開關(guān)S3閉合的目的在于旁通二極管，提高電能的使用效率減少損耗。在第四區(qū)段內(nèi)開關(guān)S4將斷開，L1電流將沿著二極管流向電池B2中，第四區(qū)段電路在為L1放電的同時(shí)阻斷了電流流回B2的道路，避免了L1所流出的電流重新返回到L1中。

2.2 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略

串聯(lián)電池組在充放電過程中將會因自身特性而產(chǎn)生充放電不均衡問題，這一問題隨著充放電的持續(xù)進(jìn)行而越發(fā)嚴(yán)重，并在單體電池充滿或是放空時(shí)會對電池組使得使用壽命產(chǎn)生一定的影響。串聯(lián)的電池組中某單體電池完全放空或是充滿時(shí)，其他單體電池仍有一定的電量，為保護(hù)電池則不能繼續(xù)向電池充電或是放電。此外，充放電過程中單體電池間不均衡且并未有電池充滿時(shí)，單體電池的沖放電并不影響電池的使用壽命。因此，在動力電池充放電控制上無需時(shí)刻保持均衡，僅需保證各單體電池在同一時(shí)間完成充滿或是放空即可在不影響電池使用壽命的基礎(chǔ)上最大限度地利用電池組的容量。為提高均衡效率可以通過減少均衡控制過程中所轉(zhuǎn)移電荷的總量來降低損耗，提高控制效率。

以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略主要以電池剩余電量的估計(jì)為檢測目標(biāo)，不同于傳統(tǒng)的均衡策略中所使用的電壓或是荷電狀態(tài)等，其并不注重充放電過程中的均衡性，而將著重點(diǎn)放在單體電池在同一時(shí)間充滿或是放空，并盡可能地減少均衡過程中的電荷的轉(zhuǎn)移量，將損耗控制在較低的水平。在充電狀態(tài)下，單體電池剩余電量為單體電池最大容量與初始電量的差值。而在放電狀態(tài)下，單體電池剩余電量為初始電量與單體電池最小容量的差值。通過將以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略與基于SOC估計(jì)的均衡策略進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)， 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略要比基于SOC估計(jì)的均衡策略所轉(zhuǎn)移的電荷量要小得多，從而有效地減少了損耗， 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略能夠在大容量、大初始載荷的單體電池充放電均衡控制中發(fā)揮出較為良好的效果。以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的算法是通過對比各單體電池的剩余電量并控制單體電池的剩余電量差異在所設(shè)定的范圍內(nèi)，均衡控制時(shí)首先確定單體電池剩余電量最大的電池作為輸入電荷的單體電池，而后以此單體電池兩側(cè)電池剩余電量的平均值來確定電荷的流向，進(jìn)而確定輸出電荷的單體電池。這一控制策略將不斷地持續(xù)直至所有電池充滿或是放空。在實(shí)際的均衡控制中，均衡控制電路將通過采集各單體電池的電壓、電流、溫度等的參數(shù)來對單體電池的剩余電量進(jìn)行估計(jì)，并以所估計(jì)的剩余電量來規(guī)劃各電池電荷轉(zhuǎn)移的電池對，在一個(gè)均衡周期結(jié)束后將會繼續(xù)重復(fù)上述過程，通過逐漸的均衡用以確保各單體電池能夠在同一時(shí)間內(nèi)完成充放電作業(yè)。

以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略其最核心的部分在于估計(jì)電池的剩余容量，為估計(jì)這一參數(shù)可以采用在線容量估計(jì)法，此方法是以兩個(gè)時(shí)刻單體電池的荷點(diǎn)狀態(tài)為分子，以在這一時(shí)段內(nèi)所轉(zhuǎn)移的電荷量為分母完成單體電池容量的計(jì)算。

2.3 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的仿真

在完成了以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的控制后，為測試該控制策略的性能采用模擬仿真的方式對其進(jìn)行測算。仿真以三個(gè)單體電池串聯(lián)所組的電池組為測試點(diǎn)，分別使用基于SOC估計(jì)策略和基于剩余電量的均衡策略進(jìn)行仿真分析。通過對仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，基于SOC的估計(jì)策略能夠在85s左右完成均衡控制，而基于剩余電量的均衡策略則是在315s完成均衡控制。而在均衡控制所損耗的電荷量則是基于SOC估計(jì)策略所損耗的較多，相對于基于剩余電量的均衡策略基于SOC估計(jì)策略損耗電量和電荷轉(zhuǎn)移量都要高出30%以上。因此相對于來說基于剩余電量的均衡策略耗時(shí)較長可以將其應(yīng)用于慢充狀態(tài)，而對于快充狀態(tài)則可以應(yīng)用于其他均衡控制策略。

3 結(jié)束語

基于剩余電量的均衡策略其主要特點(diǎn)在于優(yōu)化了過程控制，其核心控制點(diǎn)在于控制電池充電、放電完成的同時(shí)性，而對于電池組充放電過程中的實(shí)時(shí)均性并不加以關(guān)注，該策略核心在于優(yōu)化均衡單體電池的電荷轉(zhuǎn)移量，減少電荷的損耗。基于剩余電量的均衡策略相對于基于SOC估計(jì)的均衡控制策略等簡化了控制體系，提高了電池組的使用壽命。由于基于剩余電量的均衡策略不注重電池的實(shí)時(shí)均衡性，而在于剩余電量的均衡性，因此在電池組充放電控制的過程中將會耗費(fèi)更多的時(shí)間。基于剩余電量的均衡策略能夠在單體大容量、大規(guī)模電池組沖方面過程中獲得較好的充放電質(zhì)量。

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