锂电池充电均衡控制研究

刘鑫爽，罗文广，陈文辉

(广西工学院电子信息与控制工程系，广西柳州 545006)

一组锂离子电池由串联多个单体电池组成，充电时通过每个单体电池的电流相等，但由于每个单体电池容量的差异，会出现充放不完全的现象，加之锂离子电池的自然老化，还会加剧电池单元容量的变化，统计上表现为电池组中的单个电池单元容量的正态分布的均值左移，且峭度逐渐减小［1］，甚至经过一段时间的使用后，小部分电池单元的有效容量近乎为零，如图1所示。为解决充电过程中由电池组的不均衡所带来的问题，需要在充电过程中采取各种控制手段，使所有电池在温升正常的前提下，能同时充足电，以实现均衡充电。

1 系统概述

图1 电池单元长期使用后容量的分布

锂电池组均衡控制系统由如图2所示的检测部分和均衡控制部分组成。充电过程由控制器STM32F103RB进行统一管理，包括转换充电方式，检测电池的状态以及进行充电均衡控制等。由于STM32F103RB内置有128 kB的Flash和20 kB的SRAM，而且有丰富的增强I/O端口和外设:包含16通道12位的ADC、4个通用16位定时器、1路CAN总线接口等，所以其能满足各种场合下的要求，可以实现对锂离子电池的智能充电控制。系统选用电池监测芯片DS2438来检测电池的端电压和电池温度［2］。由于DS2438内部有A/D转换器和数字温度传感器，在锂电池的均衡控制过程中要获得电池电压、温度，只需ARM处理器对其发出采集电压、温度的控制命令即可。DS2438采用单线制，仅占用ARM处理器的少量口线。另外，每片DS2438都拥有唯一的序列号，系统中的每个电池由一个芯片来标识，方便观察及记录单体电池的状态。主控制器与充电桩进行通信，反馈电池的电压、电流、温度、电量等参数，以便充电桩向充电机发送控制指令、开关量信号，对充电机的启停进行控制，并能获取充电机的工作状态信息。

图2 锂离子电池组均衡控制系统

2 均衡充电研究

均衡控制包括能量耗散型和能量转移型两大类，均衡方法在理论上一般有分流电阻法、DC/DC变流器法、开关电容法、飞渡电容法等［2］。其中分流电阻法能耗较大，均衡速度慢，效率低。能量转移型可使能量从高压单体变换到低压单体，动态调整输入输出方向，具有最佳的均衡效率［3］。逆变分压均衡控制方法如图3所示，均衡充电电源由电池组自身提供，采用变压器耦合的多副边结构。设计的电池组均衡电路主要由均衡开关、采集控制以及变压器设计3部分组成。其中采集控制是以STM32F103RB为核心的控制部分，主要完成从信号采集到发出控制命令在内的任务。图中Ca，Cb为储能电容，C1，C2，…，Cn为滤波电容。E1，E2，…，En组成串联电池组。PWM控制器、高频变压器T，以及IGBTQ1和IGBTQ2组成的DC－DC变换器构成了均衡器，电路中开关频率为20 kHz。主控制器控制PWM波形发生器，通过改变Q1和Q2的脉宽实现副边均衡单元均衡充电特性的调节。

图3 逆变分压均衡充电电路

以一个串联电池组为例说明逆变分压均衡充电的原理。如果设第i个电池的端电压为 Ei，i=1，2，…，n)，PWM的开关控制信号占空比为，变压器的各副边绕组匝数相同且变比为NP∶NS。设E为该电池组的平均电压，Ei和ΔEi分别表示第i个电池的端电压及其与电池总平均电压的差值，Ui表示经过逆变分压后施加在第i个电池两端的电压，Ii表示第i个电池的充放电电流，其值的正、负分别表示充、放电。研究n个电池串联时，当第p，q个子电池的电压较其他电池电压低时，有

由式(6)所示，容量较低的电池均衡充电电流与其偏离平均电压值的程度成线性关系，偏离值越大，分配给其的均衡充电电流也越大，容量上升也越快，当各电池电压趋于一致时，系统进入平衡状态。这为控制系统的建立提供了理论依据。

3 均衡控制策略

3.1 模糊神经网络控制系统

基于模糊控制器具有较强逻辑推理功能，结合神经网络控制器较强的学习能力，系统设计了神经网络模糊［4］控制系统，如图4所示。其中，R为系统设定的均衡值，模糊控制器的输入为锂离子电池端电压e和端电压与电池总平均电压的差值Δe，输出为锂离子电池的充电电流。通过神经网络的学习，可实时实现对均衡值的调整。

图4 模糊神经网络控制系统

3.2 控制策略

(1)在控制器的设计实验中，对锂离子电池的充电控制方法，采用恒流转恒压充电控制法。在恒流充电模式下，以0.3 A的电流对锂离子电池进行充电，与此同时，微控制器循环采样锂离子电池端电压值。待电压达到4.2 V时，微控制器自动转入恒压充电状态。在恒流充电状态下，通过反复实验跟踪单体电池的电压并不断调整程序中事先设定的均衡值，直到所有电池电压近乎同时达到最高电压，进而找到合适的均衡值。

(2)主控制器不断检测子电池电压并计算平均电压，当检测到有电池的电压低于平均电压的差值达到程序设定的均衡值时，主控制器定时器就会产生两路一定占空比的PWM信号，偏离预设值越大，PWM的占空比也就越大。该过程持续到各电池电压等于平均电压。如此循环，直到所有电池充电结束。

(3)如果检测到某单体电池电压与均值的差超出均衡值较大，而且其温度比其他电池都高，此时可将其序号记录下来，方便对其追踪观察及预测其报废时间。设计的均衡系统软件流程图如图5所示。

图5 均衡控制系统软件流程图

4 实验结果及结论

在实验室条件下，任意选取6节容量为10 Ah的锂电池串联成电池组作为实验对象，将设计的均衡控制策略通过Matlab的Simulink进行仿真验证。充电开始时，用3 A电流对电池组进行恒电流充电，并在总电压上升至24.8 V时由恒流充电转为恒电压充电，此时，充电电流不断下降，当其下降至0.3 A时停止充电。均衡前后各单体电池电压曲线如图6所示。

图6 均衡前后各单体电池电压对比

从图中可以看出，均衡前单体电池的相对电压差为0.104 V，而经过均衡控制后缩小到0.056 V。均衡后，单体电池的不一致性得到了控制。实验表明设计的均衡控制器，简单可靠、均衡性好，适用于电动汽车储能系统。

［1］刘小平，郭峰，刘宁一.一种实现动力锂电池组充放电管理的主动均衡方案［J］.电动自行车，2010，10(4):18－22.

［2］严家明，王大志，金有超.基于DS2438的大功率电池状态检测［J］.单片机与嵌入式系统应用，2011(3):40－42.

［3］NISHIJIMA K，SAKAMOTO H，HARADA K.A PWM controlled simple and high performance battery balancing system［C］.Japan:Processdings of IEEE Power Electronics Specialists Conference，IEEE，2000:517 －520.

［4］尹志宇，李青茹，李文娜，等.一种基于L.M算法的组合神经网络模糊控制器［J］.电光与控制，2006，13(1):73－77.