林炳輝

(廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司，福建 廈門 361023)

動力電池系統(tǒng)SOC的不均衡嚴重影響著電池系統(tǒng)的使用壽命及電動汽車的續(xù)駛里程[1-2]，尋找行之有效的電池SOC均衡技術和均衡策略是目前研究的熱點[3-5]。由于放電過程的均衡效果一般，所以本文基于電感主動均衡技術，僅研究使用壓差作為均衡控制參數(shù)對磷酸鐵鋰動力電池系統(tǒng)充電均衡效果的影響。

1 均衡系統(tǒng)工作原理及實驗平臺

采用電感型主動均衡系統(tǒng)，根據(jù)相鄰電池的壓差結果，均衡模塊以開關電源的方式，把SOC狀態(tài)高的電池的多余電量轉(zhuǎn)移到SOC狀態(tài)低的電池，實現(xiàn)電池系統(tǒng)容量最大化，并延長電池組循環(huán)壽命[6]。SOC數(shù)據(jù)很難直接獲得[7-8]，而電池的外電壓和電池SOC存在一定的關系，在一組串聯(lián)電池中，單體電池間的壓差反映了電池間SOC的差異，且單體電池電壓可以直接測量獲得，所以目前很多均衡系統(tǒng)多基于壓差參數(shù)來設計[9-10]，但是，以壓差作為控制參數(shù)的均衡效果還有待驗證。為研究方便，本文以控制過程相對簡單的串聯(lián)電池模組為研究對象，使用壓差作為均衡控制參數(shù)，以驗證均衡系統(tǒng)的均衡效果。

均衡模塊的功率電路拓撲圖如圖1(a)所示，是一個雙向DC/DC。工作原理如下：

1) 上電池電壓-下電池電壓≥30 mV，且持續(xù)時間大于1 min。打開上開關，上電池能量存儲在電感中；關閉上開關，打開下開關，電感的能量傳輸給下電池，實現(xiàn)能量下傳。

2) 下電池電壓-上電池電壓≥30 mV，且持續(xù)時間大于1 min。打開下開關，下電池能量存儲在電感中；關閉下開關，打開上開關，電感的能量傳輸給上電池，實現(xiàn)能量上傳。

3) 達到以上條件，均衡系統(tǒng)開始工作，到后面階段，壓差會減小，直到整個電池組內(nèi)單體電池壓差降至10 mV以下，并持續(xù)1 min，均衡系統(tǒng)才停止工作。而當均衡系統(tǒng)停止工作后，組內(nèi)單體電池壓差可能又會重新上升，這段期間若壓差<30 mV均衡系統(tǒng)是不工作的，需壓差≥30 mV并持續(xù)1 min，均衡系統(tǒng)才會重新開始工作。

均衡模塊通過級聯(lián)可以實現(xiàn)對多節(jié)串聯(lián)電池進行充電均衡管理，根據(jù)實際應用需要串數(shù)可以向上或者向下擴展。本次以10個串聯(lián)的磷酸鐵鋰電池組(初始容量50 Ah)作為研究對象，電池已經(jīng)在客車上服役一段時間，剩余可用容量約30 Ah，連接包括9個電感均衡模塊的主動均衡系統(tǒng)及充放電設備，測試平臺框圖如圖1(b)所示。

2 實驗結果分析

2.1 均衡系統(tǒng)對于均衡狀態(tài)模組作用分析

1) 將1#～10#電池單體分別采用1 C(1 C=30 A)電流進行充電，至電壓達到3.6 V截止，人為調(diào)整為完全均衡狀態(tài)。然后將10個電芯串聯(lián)，以1 C的電流放電至任一單體電池電壓達到2.5 V，再以50 A的電流對電池組進行充電，至任一單體電池電壓達到3.6 V停止，關閉均衡系統(tǒng)，以1 C的電流放電至任一單體電池電壓達到2.5 V，測試電池均衡前的初始容量。

2) 測試均衡前的電池初始容量后開啟均衡系統(tǒng)，再以50 A的電流對電池組進行充電，至任一單體電池電壓達到3.6 V停止，關閉均衡系統(tǒng)，以1 C的電流放電至任一單體電池電壓達到2.5 V。重復以上實驗步驟，測試均衡系統(tǒng)在充電過程中對處于均衡狀態(tài)的電池模組的作用，至電池模組容量不再減少后停止實驗(第4周次循環(huán)的充電容量不再減少，反而增加，停止實驗)。

測試結果如表1和圖2所示。第1周次為未開啟均衡系統(tǒng)所測得的電池初始容量，第2至4周次為充電階段開啟均衡系統(tǒng)的測試結果。選取充電過程壓差最大的第2周次循環(huán)進行分析：充電平臺壓差超過30 mV的時間較長，幾乎持續(xù)了整個過程，均衡充電過程中4#單體電池的電壓平臺最高，導致容量往電壓平臺低的10#單體電池轉(zhuǎn)移，原本10#單體電池容量最高而4#單體電池的容量較低，充電“均衡”的結果卻使得不均衡程度進一步加大，電池模組充電容量由于錯誤均衡而急劇下降，第2周次充電容量減少了1.64 Ah(5.5%)。第3周次電壓平臺處壓差超過30 mV，相對于第2周次有所減少；被錯誤均衡的容量相對于第2周次也相應地減少；第4周次電壓平臺處壓差基本都低于30 mV，只有在充電末端出現(xiàn)壓差超過30 mV的情況，因此均衡系統(tǒng)只在充電末端工作，而充電末端的單體電壓能夠較好地反映電池單體間SOC的差異，此階段的均衡是有效的均衡，因此容量相對于第3周次有所提升。經(jīng)過4周次充放電循環(huán)，原本處于均衡狀態(tài)的電池模組因充電平臺壓差有超過30 mV而被BMS的均衡系統(tǒng)“均衡”，反而使電池模組充電容量減少了1.44 Ah(4.8%)。

表1 各周次電池模組充電容量及容量保持率

均衡前后的放電過程如圖3所示。圖3(a)表明，初始狀態(tài)各單體電池電壓頂端對齊，初始容量30.181 Ah，放電末端存在一定的壓差。經(jīng)過4次充電均衡后各單體電池放電末端的壓差變大，如圖3(b)所示，電池的不均衡程度加劇，電池容量減少到27.87 Ah，放電容量減少了2.311 Ah(7.7%)。放電容量減少也進一步說明了均衡系統(tǒng)的不均衡。

以上結果表明，以壓差為控制參數(shù)的均衡系統(tǒng)在電池充電電壓平臺期工作會降低均衡的準確性，影響充電效果?？稍O置均衡系統(tǒng)的工作最低平均電壓為充電電壓平臺期結束時的平均電壓，以限制均衡系統(tǒng)在充電平臺區(qū)域開啟,提升均衡效果。

2.2 恒流充電模式對均衡效果的影響

在2.1節(jié)的測試基礎上，改變電池充電SOC區(qū)間為整車實際充電區(qū)間(20%～100%SOC)，并采用標準充電電流1 C進行恒流充電，充電過程最大壓差如圖4(a)所示：在20%～95%SOC區(qū)間壓差均小于30 mV，均衡系統(tǒng)不工作；均衡系統(tǒng)只在電池SOC≥95%區(qū)間工作，鋰離子電池進入充電末期恒流階段后，端電壓能夠較好地反映電池單體間SOC的差異。為加速實驗進度，直接在80%～100%SOC區(qū)間進行均衡,調(diào)整電池SOC為80%，開啟均衡系統(tǒng)，以1 C的電流對電池組進行充電，至任一單體電池電壓達到3.6 V停止，此時電池SOC為100%,靜置1 h，關閉均衡系統(tǒng)，重復以上循環(huán)至第23周次，充電過程中均衡系統(tǒng)不再工作，停止實驗。

充電均衡過程和結果如圖4(b)和圖5所示，到了每周次充電末期，電壓最高的6#或10#單體電池開始給其余容量較低的單體電池轉(zhuǎn)移容量，均衡系統(tǒng)僅在充電結束前30 s至充電結束后90 s內(nèi)工作，部分周次的均衡工作時間見表2。到23周次時，壓差大于30 mV的持續(xù)時間小于1 min，均衡系統(tǒng)不再工作；經(jīng)過23周次的充電末端均衡后，電池組放電容量為29.567 Ah，相對本節(jié)于均衡前的放電容量27.87 Ah提升了1.697 Ah，但未達到模組最高可用放電容量值30.181 Ah。

表2 各周次均衡系統(tǒng)工作時間

(c)第16周次 (d)第23周次

結果表明，以壓差為控制參數(shù)的主動均衡策略在整車實際應用(電池工作SOC區(qū)間20%～100%)過程中，均衡系統(tǒng)可在電池系統(tǒng)充電末端(電池的高SOC區(qū)≥95%)發(fā)揮容量均衡作用，但均衡時間較短(實測結果小于2 min)，平均每周次的均衡容量不到0.1 Ah(經(jīng)過23周次均衡后放電容量提升了1.697 Ah)，均衡效果較差。

2.3 分段充電策略對均衡效果的影響

因采用恒流充電方式均衡系統(tǒng)工作時間較短，均衡效率較差，實驗改用分段充電的方式對電池模組進行充電。電池模組經(jīng)人為調(diào)整為不均衡狀態(tài)后電池初始放電容量為18.41 Ah，并采用80%～100%SOC測試區(qū)間加速實驗。調(diào)整電池SOC為80%，連接均衡設備，采用1 C電流充電至任一單體電池電壓達到3.56 V，靜置30 s，電池充電后的靜置過程會導致電池電壓有所下降，采用0.5 C充電至任一單體電池電壓達到3.56 V，靜置30 s；采用0.2 C充電至任一單體電池電壓達到3.56 V，靜置30 s；采用0.1 C充電至任一單體電池電壓達到3.6 V，此時SOC為100%，靜置1 h，關注均衡系統(tǒng)的開關啟停情況。

重復以上步驟，每12個周次充電均衡后進行一次完整的充放電測試，至電池放電容量接近30 Ah(電池均衡態(tài)的容量)時停止實驗。采用分段充電的策略，均衡系統(tǒng)工作時間較長，每周次充電均衡系統(tǒng)工作時間為40～60 min之間，部分工作時間見表3。測試結果如圖6和圖7所示。由圖6可以看出，在1 C充電末端開始出現(xiàn)壓差超過30 mV的情況，在降流過程最大壓差均高于30 mV，均衡持續(xù)工作至靜置階段的壓差小于10 mV處，經(jīng)過12周次的均衡，放電容量由18.41 Ah增加到30.735 Ah，已經(jīng)達到完全均衡狀態(tài)的放電容量。圖7(b)中7#單體電池的電壓平臺要低于其他電池，因?qū)嶒炿姵貫榕f電池組，在反復循環(huán)后7#單體電池的內(nèi)阻增大[11]，但7#單體電池容量沒有明顯的下降，不會對本次的實驗結果造成影響?？梢钥闯?，相對于恒流充電方式，采用末端降流的分段充電模式下均衡效率更高，平均每周次的均衡系統(tǒng)工作時間為3 035 s，平均每周次充電均衡容量大于1 Ah。

表3 部分周次均衡系統(tǒng)工作時間

(a)第1周次 (b)第4周次

(c)第8周次 (d)第12周次

3 結 論

針對通過壓差控制的電感式電池組均衡策略，以磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)為對象的實驗結果表明：

1) 以壓差作為均衡控制參數(shù)存在過度均衡的可能，尤其對于舊電池大電流充電時，電壓平臺處壓差超過30 mV，均衡開啟壓差門限若設置過低，可能會導致均衡系統(tǒng)在充電電壓平臺處工作造成錯誤均衡；均衡開啟壓差門限若設置過高，可能會導致均衡工作時間縮短使均衡效果變差，均衡系統(tǒng)在電壓平臺區(qū)域工作，可導致原本均衡態(tài)的電池系統(tǒng)可用容量減少。

2) 使用標準恒流充電策略，均衡只在充電末端開啟，均衡效果差。

3) 通過設置均衡系統(tǒng)工作最低平均電壓為充電電壓平臺期結束時平均電壓來限制均衡系統(tǒng)在充電平臺處工作，并采用分段降流的充電策略，可實現(xiàn)均衡系統(tǒng)在充電末端和靜置過程中高效均衡，可有效提高電池系統(tǒng)充電容量，增加電動汽車的續(xù)駛里程。