动力电池均衡充电控制策略研究

徐顺刚， 钟其水， 朱仁江

(1．重庆大学电气工程学院，重庆 400030;2．电子科技大学航天科学技术研究院，四川成都 611731;3．重庆大学 光电工程学院，重庆 400030)

0 引言

在电动汽车的产业化工程中，动力电池的性能是影响整车性能的关键因素之一，同时在整车成本中占有较高的比例，甚至可以说动力电池对整个电动汽车产业起着决定性作用。因此延长动力电池的循环寿命，提升动力电池性能对电动汽车产业有着重要意义［1－3］。

动力电池通常采用多个单体电池串联方式为电动汽车供电，由于在制造过程中，单体电池的电压、内阻以及工作温度等均不完全相同，各单体电池的初始容量存在一定差异。在电池组放电过程中，容量低的单体电池首先因过放电导致单体电池电压过低而丧失放电能力。此时，相对于其他容量高的单体电池，容量低的单体电池变成了负载，由容量高的单体电池对其供电，从而出现单体电池极性反转的现象，使得整个电池组不能够正常工作，同时其寿命也会受到极大影响［4－6］。在随后的充电过程中，这些容量减小的单体电池又会首先被充满，出现过充电现象，使得整个电池组不能正常充满电。在实际使用中，串联电池组能够实际放出的容量是由容量最小的单体电池所决定的，当该单体电池容量告罄时，整个电池组将无法继续正常工作，充电过程也是如此。因此在电动汽车的动力电池使用过程中，单体电池不均衡是影响电池组工作的重要因素，因此对电池组进行均衡控制是十分必要的［7－11］。目前国内对电动汽车电池管理系统的研究主要集中在电池荷电状态预估和热管理等方面［12－16］，其主要目的是实现对动力电池组的监控和安全保护，而对动力电池组的均衡控制方法、均衡充电控制策略以及如何通过均衡控制延长电池组循环寿命的研究还较少。

本文分析单体电池性能不一致对动力电池组循环寿命的影响，指出电池组提前失效的主要原因，针对性的研究电池组均衡充电控制电路模型，并提出一种既能够实现电池组快速充电，又能够消除单体电池不一致对电池组循环寿命影响的均衡充电控制策略。

1 均衡电路模型分析

如图1所示的耗散型均衡电路具有简单可靠、性价比高的优点而广泛适用于电动汽车及储能系统中［17－18］。单体电池通过与之并联的均衡开关S和均衡电阻R实现对充电电流的均衡，均衡电流通过控制均衡开关的占空比来实现。图1中，ic为充电器的充电电流，vb为单体电池电压，ib为对应的单体电池充电电流。

图1 耗散型均衡电路Fig．1 Block diagram of resistor equalizing circuit

在单体电池充电过程中，通过控制均衡开关的状态，可在一定范围内独立调节单体电池的充电电流。当忽略均衡开关S的阻抗时，单体电池的充电电流为

图2为单体电池的均衡充电等效模型，其中ie为均衡电流，Zb为电池特性函数，Eq为均衡控制函数。

图2 单体电池均衡电路等效模型Fig．2 Model of cell equalizing circuit．

由等效模型可知，单体电池输出电压可以表示为

当电池组串联充电时，其均衡充电模型如图3所示。

图3 串联电池组均衡充电模型Fig．3 Model of battery in series equalizing charge control

在电池组的串联充电过程中，由于各单体电池的特性Zbi不会完全一致，为了达到均衡充电的目的，必须尽量缩小单体电池电压间的差异，使其尽可能完全一致。由于在均衡充电过程中ib≤ic始终成立，因此均衡控制函数可表示为

在充电时，虽然所有单体电池都串联在一起进行充电，但由于每个单体电池的均衡电流各不相同，其对应的充电电流也不相同。由于每个单体电池的均衡电流都可以在一定范围内独立调节，通过适当的充电控制策略，可以针对性的对不同单体电池进行区别性充电，从而消除充电过程中单体电池间的电压差异，使得在每次充电过程中都能把所有的单体电池充饱，延长电池组的循环寿命。

2 均衡充电控制策略

均衡充电系统如图4所示，虚线框内的均衡电路由若干个均衡单元和一个均衡管理单元构成。均衡管理单元通过监测电池组中各个单体电池的电压和充放电电流，计算其剩余容量。在充电时，根据剩余容量和电池电压决定单体电池的荷电状态以及调节其充电电流。最终实现根据单体电池的不同状态，调整其充电电流至最佳值，使电池组中所有单体电池的充电电压有近乎相同的充电曲线，从而达到近似于单体电池并联充电的效果。

图4 均衡充电控制系统Fig．4 Block diagram of equalizing charge control system

对于各个均衡电路单元，均衡开关由脉宽调制信号控制，其占空比Si为

式中:VDT为电池组中最高电压单体电池与最低电压单体电池的电压差，反映了电池组的均衡情况;k为比例因子，其表达式为

式中，VTH1和VTH2为均衡控制的设定阀值。

当均衡电阻的阻值为R时，电池组中任意单体电池的充电电流可以表示为

因此，串联电池组中即使存在单体电池电压不一致的情况，由于充电过程中均衡电路的作用，电压高的单体电池充电电流相对较小，电压上升速度相对较慢;反之，电压低的单体电池充电电流相对较大，电压上升速度相对较快。从而使电池组中单体电池差异保持在合理范围内，只要均衡能力足够，并能使之最终完全消除，从而达到保护电池延长电池循环寿命的作用。

3 实验结果

本文构建72 V/120 AH铅酸蓄电池组的均衡充电控制测试系统，均衡电流取值为2.4 A，恒流充电电流为24 A，恒压充电电压为每单体2.425 V，浮充充电电压为每单体2.277 V。图5和图6分别为没有均衡控制和有均衡控制的电池组充电时的单体电池电压实验波形。

图5 无均衡时单体电池充电电压Fig．5 Cell charging voltages without equalization circuit

图6 有均衡时单体电池充电电压Fig．6 Cell charging voltages with equalization circuit

由图5可知，由于串联电池组中单体电池的性能不一致，其电压并不相同。当充电时，由于没有均衡控制，所有单体电池的充电电流完全相同，从而使单体电池电压差异逐渐增大。在充电后期，单体电池电压出现严重不均衡，部分单体电池严重过充电，而另外一部分单体电池则严重欠充电。

由图6可知，采用本文所提出的均衡充电控制策略后，虽然在开始充电阶段各个单体电池之间存在明显的不均衡，但由于均衡控制电路能根据电池组的均衡状况修正每个单体电池的充电电流，随着充电过程的进行，单体电池电压差异逐渐缩小，在充电后期达到较好的均衡效果，从而能够提高电池组的性能和循环寿命。

4 结语

本文分析了单体电池性能不一致对动力电池组循环寿命的影响，指出了动力电池组提前失效的主要原因，并在此基础上研究了电池组均衡充电控制电路模型，提出了一种既能够实现电池组快速充电，又能够消除单体电池不一致对电池组循环寿命影响的均衡充电控制策略。根据本文所提出的均衡充电控制策略，对72 V/120 AH铅酸蓄电池组进行了对比测试，实验结果证明了该策略的有效性。

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