蓄电池组能量转移型均衡充放电控制策略研究

王永科 张银娟

摘   要：针对蓄电池组中单体电池的充放电特性存在不一致性的问题，文章提出一种基于储能介质的能量转移型均衡方案。通过试验验证，该充放电控制策略均衡、简单、有效，可为后续开发电池管理系统提供研究基础。

关键词：蓄电池组;数学模型;均衡控制;能量转移

动力电池对大电压、大功率的实际需求不断扩大，将小容量单体电池组成大的电池组是常用的解决方法。单体电池间在制造和使用过程中，有一定的充放电特性差异，随着环境温度的变化以及过度充电或过度放电等不良的使用，这种差异不仅影响电池组使用特性，还会导致电池组的使用寿命降低，甚至远远低于预期使用寿命。同时，随着电池组充放电次数的增加，这种单体电池的充放电特性不一致性将愈趋明显。

电池组的充放电特性取决于性能最差的单体电池。从均衡控制电池组入手，使得电池组单体电池达到充放电特性均衡一致的状态，保证电池组正常使用特性和预期寿命[1-4]。电池组均衡的本质是使各单体电池间储存和释放的能量达到均衡，电池的荷电状态（State of Charge，SOC）能精确反映电池间储存和释放的能量关系，基于此，提出一种新型的基于能量转移的电池组充放电均衡控制策略，设计一套以蓄电池作为能量转移载体的功率回路，均衡地判据选择单体电池的蓄电池荷电状态。

1    电池组均衡控制策略

电池组均衡控制系统内部设置载体电池，通过载体电池实现电池组内部能量双向转移，以达到电池组单体电池的均衡充放电。

1.1  蓄电池模型建立

将电池模型通过可控电压源和内阻的形式表达[5-6]，电池模型表达式如公式（1）—（3）所示：

式中：E0为电池电压常数值;K为极化电压;Q为电池额定容量;A为指数区间电压降落值;B为指数系数;q为电池放出的容量。

1.2  均衡控制原理

单体电池SOC检测过程和电池组均衡过程是电池组均衡控制系统工作的两个基本状态。

单体电池SOC检查状态时，通过检测电池组各单体电池SOC，区分出电池组各单体电池SOC的大小，估算电池组平均有效的SOC值。当单体电池SOC检测过程完成，均衡控制系统随即进入电池组均衡过程。

电池组均衡过程是两个能量转移的过程，分别为载体电池充电状态和载体电池放电状态。

电池组均衡过程先由单体电池SOC大的电池向载体电池放电，即将SOC大的电池能量转移到载体电池。当载体电池充满或能量转移完成时，载体电池停止充电，开始放电，即载体电池向单体电池SOC小的电池充电。当载体电压下降到设定值或能量转移完成时，此次电池组均衡过程完成。

单体电池SOC检测过程和电池组均衡过程交替循环工作，通过转移能量降低或消除单体电池间SOC的差值，最终完成电池组的均衡控制。

1.3  系统电路拓扑结构

电池组均衡控制系统电路拓扑结构如图1所示，B1—B4代表4个单体的电池组;B5代表载体电池，需要完成能量转移时的充放电，L组和R组为两级开关，都为升降压斩波器。

2    试验验证

采用2节锂电池串联，单体额定电压3.2 V，容量50 Ah。载体电池额定电压2.0 V，容量10  Ah。

当单体电池间SOC最大差值大于1%时，启动均衡。单体电池间SOC最大差值不大于0.1%时，结束均衡。以电池组放电电流方向为正，设置充电电流为10 A，均衡载体电流为5 A，放电电流为10 A。

2.1  充电不均衡试验

电池组在充电阶段中的均衡过程，取单体电池1的初始荷电容量SOC1=20.9%，单体电池2的初始荷电容量SOC2=20%。如图2所示，在线试验充电140 s后，SOC1=21.65%，SOC2=20.65%，达到启动均衡的条件，均衡启动，单体电池1开始以5 A电流向载体电池放电，在320 s电池1停止均衡放电，载体电池开始向单体电池2以5 A电流均衡充电，在500 s时SOC1=23.04%，SOC2=22.94%，达到均衡停止的条件，均衡结束。

2.2  放电不均衡试验

仿真电池组在放电阶段中的均衡过程，取单体电池1的初始荷电容量SOC1=59.1%，单体电池2的初始荷电容量SOC2=60%。如圖3所示，在线试验放电140 s后，SOC1=58.35%，SOC2=59.35%，达到启动均衡的条件，均衡启动，单体电池2开始以5 A电流向载体电池放电，在320 s单体电池2停止均衡放电，载体电池开始以5 A电流向单体电池1均衡充电，在500 s时SOC1=56.95%，SOC2=57.05%，达到均衡停止的条件，均衡结束。

3    结语

一种基于储能介质能量转移的均衡控制策略，以单体电池的SOC作为电池组均衡的判据，设计均衡拓扑电路。通过对充电和放电阶段的均衡进行了试验验证，该充放电控制策略均衡简单有效，可以防止电池组过度充电和过度放电，为后续开发电池管理系统提供研究基础。

[参考文献]

[1]马勇刚，刘祖明，姚朝晖.光伏系统蓄电池组不均衡性的故障分析及排除[J].可再生能源，2010（2）：98-101.

[2]王占国，文锋，盛大双.新型充放电均衡一体化电池管理系统研究[J].电子测量与仪器学报，2012（5）：431-436.

[3]桂长清，柳瑞华.蓄电池内阻与容量的关系[J].通信电源技术，2011（1）：32-34.

[4]董博，李永东.基于剩余容量估算的快速蓄电池均衡[J].清华大学学报（自然科学版），2012（3）：374-379.

[5]刘征宇，孙庆，马亚东.基于Buck-Boost电路的能量转移型均衡方案[J].电机与控制学报，2017（9）：73-79.

[6]易鸿.一种基于SOC的主动均衡电池管理系统设计[J].电子设计工程，2019（6）：100-103.

Research on battery group energy transfer type equilibrium

charge and discharge control strategy

Wang Yongke1， Zhang Yinjuan2

（1.Department of Electrical Engineering， Xuchang Electrical Vocational College，Xuchang 461000， China;

2.College of Electrical and Mechanical Engineering， Xuchang University， Xuchang 461000， China）

Abstract：Aiming at the inconsistency of charging and discharging characteristics of single batteries in batteries， an energy transfer equalization scheme based on energy storage medium is proposed. The experimental results show that the charging and discharging control strategy is simple and effective， which can provide a research basis for the subsequent development of battery management system.

Key words：battery pack; mathematical model; equilibrium control; energy transfer