程昌銀，王桂棠，賴雄輝，江躍龍

（廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州510006）

0 引 言

鋰離子電池以能量體積比高，無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，在手機、筆記本電腦等便攜設(shè)備中廣泛應(yīng)用。在近幾年的發(fā)展中，鋰離子電池逐漸成為電動汽車新動力能源的首選。然而這種電動汽車仍然很難推廣，其中的原因之一是由于電池充放電控制不當(dāng)產(chǎn)生的不一致性，進而導(dǎo)致電池的壽命短，缺乏安全性。鋰離子單體電池電壓低，要得到高電壓就必須用很多單體電池串聯(lián)，由于各單體電池在生產(chǎn)制造和使用過程中特性差異性很大。經(jīng)過長時間的累積，電池狀態(tài)必然造成不平衡，進而引起電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)發(fā)生不相等，最終導(dǎo)致整個電池組的實際容量變小，壽命縮短和成本增大?；诖?，本文研究對電池在更換模式下進行充電控制。所謂更換模式就是當(dāng)電動汽車把鋰電池組的電量快耗盡需要充電時，采取換用另外一組鋰電池組提供能量［1］。它采用了智能充電技術(shù)和二次均衡技術(shù)相結(jié)合，保障了電池組電壓的一致性。重點針對充電模式下的電池模型參數(shù)識別來評價電池電壓的一致性。

1 均衡充電的意義

單體電池在充電過程中，鋰離子電池可接受的充電電流是有限的。如果充電電流高于一個限值就會造成電池中電解液發(fā)生析氣反應(yīng)，產(chǎn)生大量熱量使電池溫度急劇上升。如果在充電過程中充電電壓超過充電限制電壓多次，輕微的會導(dǎo)致電池容量減小，電池發(fā)生變形，嚴(yán)重過充可能會導(dǎo)致電池發(fā)生爆炸。如果鋰離子電池溫度過高，會造成電池內(nèi)部發(fā)生反應(yīng)，那么電池可能爆炸。因此在充電過程中，要實時監(jiān)測電池溫度并對其加以安全控制。一般來說單體鋰離子電池的電壓比較低，因此在電動汽車上通常是串聯(lián)使用的。電池組保留了單體電池的基本特性，但各個單體電池在生產(chǎn)和匹配時存在物理上的差異，這些差異也會影響電池組的使用壽命。因此電池組串聯(lián)使用表現(xiàn)出與單體電池不一樣的特性。電池組的使用壽命符合木桶原理，即最小的那節(jié)單體電池的容量等于整組電池組的容量。那么在電池充電時，因為單體電池電壓高于其余電池電壓，先達(dá)到充電截止電壓而停止對鋰電池組充電或者對鋰電池組繼續(xù)充電出現(xiàn)過充現(xiàn)象，進而導(dǎo)致在使用過程中出現(xiàn)嚴(yán)重的問題。

在充電過程中可以使用均衡電路來減小不平衡性對動力電池組的影響。合適的充電方式不僅能夠最大限度地發(fā)揮電池的容量，而且可以延長電池的使用壽命。通過對電池組采用均衡方案來讓能量在各個單體電池之間進行流動或者消耗掉，就可以保障電池不會因為過充和未充滿導(dǎo)致的鋰電池組壽命縮短。

2 均衡控制原理和實現(xiàn)

2.1 鋰離子電池組的一次均衡方案

由于電池制造本身存在的容量差異或在組裝時電池組的容量匹配沒有做好，電池組在使用過程中會引發(fā)整組電池出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。如果這種差異進一步擴大，會影響到整組電池的使用壽命。電池組不均衡的原因有：電池組內(nèi)單體電池容量基本一致但其中某節(jié)電池的容量小于其余電池的容量；電池組內(nèi)電池容量基本一致但其中某節(jié)電池的容量大于其余單體電池的容量，或者電池組內(nèi)電池容量差異很大，由這幾種情況就能造成過充或未充滿的現(xiàn)象。

均衡方案從能量耗散的角度可以分為耗散型均衡方案和非耗散型均衡方案。耗散型就是把均衡系統(tǒng)中多的能量以熱的形式在電阻上消耗掉；非耗散型就是把能量通過某種方式轉(zhuǎn)移到某種可以利用的能量存儲器中并加以利用［2］。對電池的均衡實際上是對電池荷電狀態(tài)（SOC）的均衡，而SOC在30%～70%之間與電池的電壓成線性關(guān)系［3］。因此該方案主要以鋰電池組中的單體電壓為參考，有效地結(jié)合耗散型和非耗散型均衡的特點，來均衡鋰電池組單體電池的電壓。

一次均衡充電又稱智能充電，在充電過程中采取耗散型均衡法的第一次均衡方案原理如圖1所示。給每個單體電池配備一個帶MOSFET開關(guān)的并聯(lián)支路。在某個單體電池出現(xiàn)過充時并聯(lián)支路的開關(guān)閉合，這樣與之并聯(lián)的電阻可以消耗電池的能量來達(dá)到電池組的均衡。電阻能量消耗與電池單體電壓成正比，利用電阻均衡方法對各個電池同時進行均衡且均衡效果較好。如果某單體電池的電壓大于設(shè)定值，立刻開始均衡充電。

均衡容量與均衡時間和均衡電流之間的關(guān)系為：

式中，C為均衡容量；I為均衡電流；t為均衡時間；U為單體電壓值；R為放電電阻［3］。

圖1 耗散式均衡法原理圖

耗散式均衡方案的均衡策略為：鋰離子電池組的充電過程是由預(yù)充、恒壓、恒流相結(jié)合的，其充電控制模塊控制方式如圖2。在電池組與充電電機接通后，充電電機首先需要以C/15（C為單體電池容量）量級的小電流對電池組進行充電。如果其中部分單體電池電壓達(dá)到2.5 V時就對其單體均衡充電。如果都達(dá)到2.5 V，系統(tǒng)進入恒流充電階段進行充電，并以較高的恒定速率（1C）對電池進行恒定充電。如部分單體電池電壓達(dá)到恒壓門限4.2 V時，均衡模塊將對其單體進行均衡充電，繼續(xù)對剩下電池充電；如果大部分單體電池達(dá)到上限電壓4.2 V時，最后轉(zhuǎn)入恒壓充電階段。隨著電池電壓的增加，這時的充電電流將不斷減小直到檢測到充電電流為C/15時，就停止充電電機。具體充電時參數(shù)的控制過程如圖3所示。

圖2 控制模塊控制方式圖

圖3 充電參數(shù)控制過程曲線

2.2 鋰離子電池組的二次均衡方案

對比于電動汽車在線模式下的充電，更換模式下對電池充電的時間是沒什么限制的，完全可以運用均衡電路對電池組進一步均衡來保證電池的一致性，本系統(tǒng)配備了二次均衡電路。電動汽車需要容量大的電池組，并且工作時需要的功率也大，可以將能量從容量較高的單體電池轉(zhuǎn)移到容量較低的單體電池中，或?qū)⒏叱龅哪芰恐匦罗D(zhuǎn)移到電池組中再進行分配，從而縮小單體電池間的電壓不一致性。在用電阻分流時可以實現(xiàn)對電池均衡作用但它不能使電池工作穩(wěn)定，而電感電容具有儲能功能［4］，因此可以采用電容電感的能量來均衡電路。本文采用電容均衡方法，該均衡方法屬于能量搬遷式均衡，其基本原理是利用電容作為能量的存儲器，將高能量的單體電池的能量轉(zhuǎn)移到低能量的單體電池上來實現(xiàn)電池組內(nèi)能量的均衡［5］，如圖4所示。如果單體電池出現(xiàn)過充時，將閉合其對應(yīng)的開關(guān)，這樣就可以把多余能量轉(zhuǎn)移到電容中，最后再把電容中的能量轉(zhuǎn)移到充電回路中。

圖4 電容式均衡法原理圖

對于上述的均衡硬件電路，控制算法的好不好決定了均衡效果的優(yōu)良。利用硬件電路的特點恰當(dāng)?shù)卦O(shè)計均衡控制算法，能均衡充滿電池組中每個單體電池。

兩次均衡控制算法的具體流程為：電機在對鋰離子電池組充電的過程中，如果檢測到電池組中有單體電池電壓達(dá)到上限值，則讓充電機停止工作。然后持續(xù)上面的工作對剩下的電池進行充電，待這些電池均達(dá)到上限電壓后，再等一個小時（消除極化電壓的影響），待電池的端電壓穩(wěn)定后，再通過二次均衡技術(shù)用電容均衡方法進行均衡，當(dāng)檢測到單體電池電壓達(dá)到設(shè)定值，再停止對該單體電池充電，重復(fù)此過程，直到電池組中的所有單體電池都達(dá)到設(shè)定電壓值為止，則說明該鋰離子電池組充電完成。

2.3 均衡充電方案電路設(shè)計

根據(jù)電壓、電流、溫度參數(shù)的變化采取不同的充電電流和充電電壓來達(dá)到均衡的作用。該方案采用了主從式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。其具體結(jié)構(gòu)由PC機、一系列檢測模塊、以S3C2440為控制模塊、均衡模塊、充電電機、CAN總線、RS485和RS232構(gòu)成。為了能滿足電池充電系統(tǒng)的功能和通訊要求，系統(tǒng)的控制模塊通過內(nèi)部總線RS485與檢測模塊進行信息的交互，傳遞電池參數(shù)，并通過CAN總線對電機的控制，最后RS232接口將信息傳遞給整車PC機，實現(xiàn)實時信息的觀測，以保證完成對整個電池組的充電過程。

圖5 充電系統(tǒng)示意圖

3 實驗與結(jié)果

實驗中采用了3組電池組，每組8節(jié)，第一組每節(jié)都是使用不久的新電池，第二組都是用過一定時間的電池，但都能正常工作，第三組是前兩組中各4節(jié)。它們被正常使用后完全需要充電，電池電壓為4.2 V。由PC機人機界面控制電池組充電參數(shù)和觀看電池組充電過程的參數(shù)。實驗得到的結(jié)果如下：

表1為智能充電完成后（未二次均衡）各電池組電壓：N為組數(shù)，n為每組單體電壓，單位為V。

表1 智能充電完成后的各電池組電壓 （單位：V）

表2為二次均衡后電池電壓數(shù)據(jù)。

表2 二次均衡后電池組電壓數(shù)據(jù)

本文是以電池的端電壓作為電池組均衡的參考變量（單體電池的電壓為4.2V），由表1、表2的數(shù)據(jù)明顯地看出在二次均衡后所得到的電壓一致性比一次均衡后更好。

4 結(jié) 論

本文提出了一種針對電池電壓為均衡變量的動力鋰電池組充電均衡方案。文中加入了智能化的均衡控制及管理方法，對比以往的均衡方案，鋰離子電池組在更換模式下，雖然電路和控制方法復(fù)雜，成本較高，但在此模式下不受時間的限制和電路使用重復(fù)率高，并能得到較高電壓一致性，更好地延長了電池組的使用壽命。此方案將更有效，更有實用性。

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