賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934）

電動汽車動力電池組串聯(lián)充放電均衡控制研究

賈磊磊 張 旭

（洛陽師范學院物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934）

電動汽車的應用普及對現(xiàn)階段的節(jié)能環(huán)保治理有重要意義，電池組的使用壽命以及性能嚴重制約著電動汽車的普及應用，本文在采納前人部分實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將電池組充電均衡控制和放電均衡控制結(jié)合起來，測試出合適的充放電均衡點，應用于電動汽車電池組，能有效延長電池組使用壽命，降低電動汽車的生產(chǎn)成本。

電動汽車；串聯(lián)電池組；充電放電；平衡控制點

一、緒論

1. 研究背景

隨著社會的發(fā)展與進步，節(jié)能和環(huán)保已成為人們普遍關(guān)注的問題。隨著電動汽車的各項技術(shù)不斷進步和完善，現(xiàn)階段的電動汽車技術(shù)方面便進入了瓶頸階段。蓄電池串聯(lián)充放電不一致的問題便是制約電動汽車技術(shù)發(fā)展的瓶頸之一。被串聯(lián)的各個蓄電池在其充放電過程中的節(jié)奏存在個體差異，導致某些蓄電池的使用壽命較短，而大大縮短串聯(lián)電池組的整體使用壽命，甚至出現(xiàn)重大的安全事故，雖然不恰當?shù)亍按龠M”了電動汽車的更新?lián)Q代，但是也提高了電動汽車的成本費用。當下，國內(nèi)外對于電動汽車電池組充電均衡問題的研究較多，放電過程的均衡研究相對較少，本文在現(xiàn)階段充放電均衡問題研究的基礎(chǔ)上，進行分流均衡的充放電方案的嘗試與研究。

2. 內(nèi)容及意義

（1）內(nèi)容

本文進行的電池組串聯(lián)狀態(tài)下的充放電研究采用鉛酸蓄電池，此選擇有其優(yōu)點：首先，鉛酸蓄電池各項技術(shù)成熟，成本低；其次本文認為鉛酸蓄電池提高的空間比較可觀。實驗內(nèi)容為：通過對試驗過程中的實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，建立電池組充放電的模型，將模型按照充放電均衡控制原則進行模擬試驗，最終得到較為適合的充放電均衡點。

（2）意義

電動汽車的普及具有深遠意義，電動車能源管理問題已是制約其普及應用的關(guān)鍵技術(shù)之一，電動汽車串聯(lián)電池組充放電均衡問題就顯得尤為重要，急待解決，還有就是均衡控制系統(tǒng)芯片SOC的開發(fā)，直接制約著電動汽車的開發(fā)成本的降低。國內(nèi)外對電動汽車電池組的充電均衡問題已有較長時間的研究，而且已取得一定的研究成果，對于電動汽車電池組放電均衡問題的研究還偏少，存在的問題也較多，本文將電池組的放電均衡問題與充電均衡問題相結(jié)合，探究其整體的均衡控制方法及策略，對于降低電動汽車的制造成本和電池使用壽命的延長有著重要意義。

表1　

二、鉛酸蓄電池工作原理及充放電特征

1. 工作原理

鉛酸蓄電池是利用二氧化鉛（正、負電極）和硫酸（電解液）之間可逆的氧化還原反應產(chǎn)生負離子（e）的過程來完成供電的，其總反應化學式為：

和

充電過程中，硫酸鉛在電池的兩極分別發(fā)生還原反應，生成二氧化鉛和鉛，電解液中的硫酸濃度上升；放電過程中，硫酸鉛在電池的兩極（正極的二氧化鉛和負極的鉛）分別發(fā)生氧化反應，生成硫酸鉛，電解液中的硫酸濃度下降。正負兩極的反應化學式分別為：

負極電極板的反應化學式為：

和

正極電極板的反應化學式為：

和

2. 充放電基本特征

（1）鉛酸蓄電池充電的特征：

充電初期，電極極板內(nèi)部活性物質(zhì)孔隙內(nèi)生成的硫酸濃度急速上升，擴散速度趕不上生成的速度，因此電池的電勢升高，此時電極極板的活性物質(zhì)發(fā)生還原反應，生成二氧化鉛和海綿狀鉛，在端電壓變化曲線中的表現(xiàn)就是曲線的曲率較大。

充電中期，電勢增高幅度減緩。

充電后期，由于蓄電池內(nèi)的活性物質(zhì)基本反映完全，端電壓上升速度緩慢，最終區(qū)域平緩。在到達平緩段時，應及時停止充電，若在充電完成后未及時停止充電，尤其是使用電流較大的高速率充電器進行充電時，電池組內(nèi)部的溫度和壓力就會急速升高，對電池內(nèi)部造成損壞，嚴重時會出現(xiàn)電池爆炸的危險。

（2）放電過程與充電過程的原理類似，相當于是充電過程的逆過程，不再單獨敘述其過程。

三、充放電均衡控制思路

電動汽車動力是由多個電池單體通過串聯(lián)的方式連接而成，電池組的各個組成單體很難保證各項參數(shù)一致，在充放電的過程中就會出現(xiàn)個體差異，因為它們之間是串聯(lián)的關(guān)系，充電和放電過程中的電流是相同的，所以，在電池組整體進行充電放電過程中，各單體之間的充電和放電總時間會存在差異，采用統(tǒng)一的充電和放電時間，個別單體就會出現(xiàn)充電未完成而斷電或充電已完成仍在繼續(xù)充電的現(xiàn)象（放電過程亦是如此），而且會隨著充放電的次數(shù)的增加，個體差異增大。這種現(xiàn)象嚴重影響電池組的整體使用壽命，若能夠通過恰當?shù)拇胧ㄟ^改變電池組各單體的充放電電流或其他因素，將其充放電時間進行統(tǒng)一，便能很好地解決充放電總時間不一致的情況，有效地延長電池組的使用壽命。

四、充放電模型及均衡點的確定

1. 模型輸入輸出參數(shù)的確定

本文在前人測定實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行深度研究探索，從儀表監(jiān)測鉛酸蓄電池充放電過程中的各個參數(shù)中選擇合適的參數(shù)為建模的輸入和輸出參數(shù)。鉛酸蓄電池在充放電過程中的電流是比較穩(wěn)定的，可以作為輸入?yún)?shù)。在實際可以測量出的數(shù)據(jù)中，電池的端電壓和溫度最能貼切地反映出電池充放電的狀態(tài)，但是若采用溫度為輸出參數(shù)，對于電池組周邊環(huán)境的溫度就要加以控制，使之維持在一個恒溫的環(huán)境中，實際操作難度表較大，故選用充放電過程中的端電壓作為輸出參數(shù)。

2. 充放電模型的建立

電動汽車電池組充放電過程相似，在充電過程中，隨著充電的進行，對于鉛酸蓄電池來講，充電電流逐漸下降對于電池的使用壽命延長有利，因此，選用型號為6-DA-150的電池，將充電電流分別設(shè)置成C、C/2、C/4的3個充電階段，結(jié)合以自適應神經(jīng)模糊推理系統(tǒng)建立蓄電池的充放電模型，

3. 充放電均衡點的確定

（1）充電均衡控制點的確定

（a）充電時，將蓄電池的電壓浮動區(qū)間設(shè)置為14.7V～10.6V。

（b）將整個充電過程設(shè)置為3個階段，即C、C/2、C/4（C為充電電流）。

應用已經(jīng)建立好的充放電模型，進行仿真實驗，進而確定蓄電池組充電均衡點。

實驗過程測得數(shù)據(jù)表1。

表1數(shù)據(jù)顯示：隨著A值的變化，充電過程的總時間會隨之變化，而且容量小的的電池組充電總時間會隨著A值的增大而縮短，容量大的電池組的充電總時間會隨著A值的增大而延長。在A值為0.085V時，容量大小的兩組電池充電總時間基本一致，可得出結(jié)論，充電時A值取0.085，可以保證兩組不同容量的電池組充電總時間一樣。

因充放電過程原理近似，不做過多說明。

結(jié)語

本文進行的電動汽車充電和放電系統(tǒng)的均衡控制方法，其實驗原型是采用鉛酸電池組進行的，所以研究和設(shè)計成果適用于鉛酸串聯(lián)電池組，電動汽車在應用本文的設(shè)計及控制系統(tǒng)，有效地避免了傳統(tǒng)電池組因充放電時間不一致和充放電電壓不穩(wěn)等現(xiàn)象，保證了電池組的使用壽命，電池組的充放電均衡問題能夠得到基本解決，可普遍應用到電池組的設(shè)計及控制系統(tǒng)。

［1］郭炳昆，李新海，楊松青.化學電源—電池原理及制造技術(shù)［M］.長沙：中南工業(yè)大學出版社，2000.

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