后備電源用鋰離子電池均衡控制的改進方法

湯秀芬， 米 晨

（寧夏大學a．物理與電子電氣工程學院；b．資產與實驗室管理處，銀川750021）

0 引 言

一些重要的城市服務機構和工業生產機構需要后備電源保證供電。在電網斷電的情況下，后備電源直接給設備供電，維持設備的正常運行，保證不間斷供電。例如，醫院的重要醫療服務設備（如手術設備）的供電；一些大型工業用戶的生產過程（如鐵熔提純以及食物加工）不間斷供電等。

由鋰離子電池組組成的后備電源使用后期易導致單體電池出現性能差異［1-2］，尤其是電池組的容量、壽命、安全等方面。電池組均衡控制技術是緩解電池性能不一致性的一種有效方法。目前均衡控制技術［3-10］主要分被動均衡和主動均衡兩種。考慮備用電源的安全要求，選用可靠性高的被動均衡技術對成組電池進行均衡［11-13］。其工作原理為：當單體電池電壓及電壓差達到設定的門限值時，電壓高的電池對應的開關器件導通，通過均衡負載分流部分充電電流，達到均衡目的。

本文選取易于采集的電池工作電壓作為電池組均衡控制參數，設定3．4、3．5、3．6 V 3 個不同均衡閾值電壓分別對4只3．2 V 20 Ah磷酸鐵鋰電池組成的電池組進行0．1 C、0．25 C 和0．5 C 倍率的充電均衡測試，從電池組均衡能耗和均衡速度兩項指標進行評估。通過對比分析后，得到適合后備電源用鋰離子電池組的均衡控制閾值電壓。

后備電源應具備以下主要特點：在電力系統正常供電的情況下，要求充電速度快，在盡可能短的時間內，將電池組充滿，以備下一次斷電時，能為用電設備提供較長的時間支持，而對均衡充電的能耗損失不做過高要求。而對于其他一些一般設施的后備電源，對均衡充電的要求則不同，對充電均衡能耗和均衡速度都要兼顧，在減少充電時間的前提下，盡量減少能耗損失。

1 電池組均衡控制參數的選取

均衡控制參數是均衡控制系統評價鋰電池組不一致性程度的特征參數［13］，應當具有易于采集，采集精度高等特點。通常，單體電池的OCV、工作電壓、SOC等參數都可以在一定程度上描述電池組的不一致性。采用OCV作為均衡變量，易于測量，穩定性好，準確性較高，與SOC之間存在一一對應關系，但要求電池處于靜置狀態；采用SOC作為均衡變量，可以有效地使用電池組容量，使組中電池處于相同的DOD，避免電池出現不同程度的老化，缺點是無法保證SOC的估算精度，實時性差；采用工作電壓作為均衡變量，便于測量，且采集精度高，能有效避免電池過充或過放。故本設計的均衡控制策略是在一般選取固定工作電壓的基礎上，擬選取不同的工作電壓作為電池組均衡控制參數。

2 實驗與結果討論

2.1 實驗設計

采用自行設計制作的鋰離子電池組均衡控制電路和恒壓源負載對電池組進行充放電實驗，搭建由電池均衡控制電路、恒流恒壓電源、恒壓源負載、恒流源負載、多路循環定時器及鋰離子電池組等組成的實驗平臺。恒流恒壓電源選用兆信公司的RXN-3030D電源，采用臺灣泰仕公司的TES-32 A電池測試儀自動測量單體電池工作電壓和內阻，單體電池充電電流的記錄采用手工記錄方式。實驗使用3．2 V 20 Ah磷酸鐵鋰電池，其容量分別為：1號電池為18．627 Ah，2號電池為18．558 Ah，3 號電池為18．848 Ah，4 號電池為

18 ．936 Ah。

實驗分為3組：2 A均衡充電2 A恒流放電，5 A均衡充電5 A恒流放電和10 A均衡充電10A恒流放電，每組實驗又分別在均衡閾值電壓設定為3．4、3．5和3．6 V 3種情況下進行。采用普通三段式充電法，將均衡電路的恒壓源負載恒壓值設定為3．6 V，確保每個電池的充電截止電壓為3．6 V。2 A恒流放電的截止電壓設定為2．8 V，5 A恒流放電的截止電壓設定為2．7 V，10 A恒流放電的截止電壓設定為2．6 V。依據電池充電電流下降到0．02 A（0．001 C）時，判定充電結束。

2.2 電池2 A恒流均衡充電測試

電池2 A恒流均衡充電測試結果如圖1所示。

圖1 2 A不同閾值電壓介入均衡電流曲線

由圖1可見，547 min時，2號電池充電電流降為1．996 A，均衡開始，其均衡電流為4 mA；551 min時，1號電池充電電流降為1．985 A，均衡開始，其均衡電流為15 mA；555 min時，3號電池充電電流降為1．993 A，均衡開始，其均衡電流為7 mA；560 min 時，4號電池充電電流降為1．993 A，均衡開始，其均衡電流為7 mA。此刻，4只電池均進入均衡充電狀態。充電進行到600 min時，4號電池的充電電流最后降到0．02 A，均衡結束，電池組的均衡時間為53 min。依次方法，其他兩個實驗的均衡時間分別為46 min和45 min。

2.3 電池5 A、10 A恒流均衡充電測試

電池5 A和10 A的實驗均按上述2 A的方法計算均衡時間（見圖2、3），各實驗的均衡時間如表1所示。

圖2 5 A不同閾值電壓介入均衡電流曲線

圖3 10 A不同閾值電壓介入均衡電流曲線

表1 均衡時間比較 min

電池均衡能耗是利用Matlab軟件的積分函數對均衡電流積分計算得到的，2 A／5 A／10 A恒流充電3．4 V／3．5 V／3．6 V 均衡電壓介入后的均衡能耗如表2所示。

表2 均衡能耗比較%

2.4 結果與討論

4個電池容量大小順序依次是2號、1號、3號和4號，進入均衡順序除了5 A／3．4 V 和10 A／3．4 V 實驗略有不同之外，其余和電池容量從小到大的順序一致。容量較小的電池電壓升高得較快，所以先到達設定的均衡閾值電壓，電壓比較器和繼電器動作，將均衡電路切入充電電路，對充電電流分流，用均衡能耗負載消耗部分充電能量，維持電池充電電壓恒定，防止過充。

由表1和表2可知，當充電電流一定，均衡閾值設為3．4 V時，均衡能耗最高，均衡速度最慢；當均衡閾值設為3．6 V時，均衡能耗最低，均衡速度最快；當均衡閾值設為3．5 V時，既保證了一定的均衡速度，又兼顧均衡能耗，達到兩者之間的平衡。當均衡閾值一定時，充電電流設為2 A時，均衡能耗最低，均衡速度適中；充電電流設為10 A時，均衡能耗最高，均衡速度最快；當充電電流設為5 A時，均衡能耗適中，均衡速度最低。

實驗數據顯示，均衡閾值電壓設為3．5 V及3．6 V時，恒流充電階段時間較長，充入容量較高，進入恒壓均衡階段前，電池的荷電量大于95%，進入恒壓均衡后，均衡電流按準指數規律增加，均衡時間較短；而均衡閾值電壓設為3．4 V時，恒流階段時間相對較短，電池充入的容量較低，進入恒壓均衡階段前，荷電量小于90%，進入恒壓均衡階段后，均衡電流按雙段準指數規律增加，中間部分均衡電流變化較緩慢，尤其圖3（a）的均衡電流出現了一個明顯的平臺，其均衡電壓的測試數據在此階段也呈現緩慢變化趨勢，說明充電電流保持一段相對穩定的值，電池內部反應速度較慢，反應過程中，活性物質分布較為均勻，對電池起到一定的修復和激活作用［14］，當電池電壓升高到3．45 V以上時，均衡電流快速上升，此時，電池擁有98%左右較高的荷電量，充電接近尾聲，進入浮充充電階段。鋰離子電池充電過程中內部工作機理的研究也表明：較高的充電閾值電壓能夠允許較大的正、負極電勢差，從而使得更多的鋰離子能夠嵌入到負極活性材料中［14-15］。

3 結 語

本文針對后備電源系統提出的不同閾值電壓的均衡控制策略，利用自行研制的鋰離子電池組均衡控制電路搭建實驗平臺對該均衡策略進行實驗驗證，從電池組均衡能耗和均衡速度這兩項指標對均衡策略進行評估。通過對實驗結果分析，驗證了不同的應用場合應該采用不同的均衡充電策略，對于一些重要的后備電源系統，要保證電池組隨時處于滿電狀態，對充電速度要求較高，宜采用大電流大閾值均衡控制方法，迅速有效地將電池組充滿電。在另外一些應用場合下，例如，光伏發電、風力發電系統，宜采用小電流大閾值均衡控制方法，在盡量減小均衡能耗的前提下給電池組充電，提高能源的利用率。