压差作为控制参数对电池系统充电均衡效果影响的研究

林炳辉

(厦门金龙联合汽车工业有限公司，福建 厦门 361023)

动力电池系统SOC的不均衡严重影响着电池系统的使用寿命及电动汽车的续驶里程[1-2]，寻找行之有效的电池SOC均衡技术和均衡策略是目前研究的热点[3-5]。由于放电过程的均衡效果一般，所以本文基于电感主动均衡技术，仅研究使用压差作为均衡控制参数对磷酸铁锂动力电池系统充电均衡效果的影响。

1 均衡系统工作原理及实验平台

采用电感型主动均衡系统，根据相邻电池的压差结果，均衡模块以开关电源的方式，把SOC状态高的电池的多余电量转移到SOC状态低的电池，实现电池系统容量最大化，并延长电池组循环寿命[6]。SOC数据很难直接获得[7-8]，而电池的外电压和电池SOC存在一定的关系，在一组串联电池中，单体电池间的压差反映了电池间SOC的差异，且单体电池电压可以直接测量获得，所以目前很多均衡系统多基于压差参数来设计[9-10]，但是，以压差作为控制参数的均衡效果还有待验证。为研究方便，本文以控制过程相对简单的串联电池模组为研究对象，使用压差作为均衡控制参数，以验证均衡系统的均衡效果。

均衡模块的功率电路拓扑图如图1(a)所示，是一个双向DC/DC。工作原理如下：

1) 上电池电压-下电池电压≥30 mV，且持续时间大于1 min。打开上开关，上电池能量存储在电感中；关闭上开关，打开下开关，电感的能量传输给下电池，实现能量下传。

2) 下电池电压-上电池电压≥30 mV，且持续时间大于1 min。打开下开关，下电池能量存储在电感中；关闭下开关，打开上开关，电感的能量传输给上电池，实现能量上传。

3) 达到以上条件，均衡系统开始工作，到后面阶段，压差会减小，直到整个电池组内单体电池压差降至10 mV以下，并持续1 min，均衡系统才停止工作。而当均衡系统停止工作后，组内单体电池压差可能又会重新上升，这段期间若压差<30 mV均衡系统是不工作的，需压差≥30 mV并持续1 min，均衡系统才会重新开始工作。

均衡模块通过级联可以实现对多节串联电池进行充电均衡管理，根据实际应用需要串数可以向上或者向下扩展。本次以10个串联的磷酸铁锂电池组(初始容量50 Ah)作为研究对象，电池已经在客车上服役一段时间，剩余可用容量约30 Ah，连接包括9个电感均衡模块的主动均衡系统及充放电设备，测试平台框图如图1(b)所示。

2 实验结果分析

2.1 均衡系统对于均衡状态模组作用分析

1) 将1#～10#电池单体分别采用1 C(1 C=30 A)电流进行充电，至电压达到3.6 V截止，人为调整为完全均衡状态。然后将10个电芯串联，以1 C的电流放电至任一单体电池电压达到2.5 V，再以50 A的电流对电池组进行充电，至任一单体电池电压达到3.6 V停止，关闭均衡系统，以1 C的电流放电至任一单体电池电压达到2.5 V，测试电池均衡前的初始容量。

2) 测试均衡前的电池初始容量后开启均衡系统，再以50 A的电流对电池组进行充电，至任一单体电池电压达到3.6 V停止，关闭均衡系统，以1 C的电流放电至任一单体电池电压达到2.5 V。重复以上实验步骤，测试均衡系统在充电过程中对处于均衡状态的电池模组的作用，至电池模组容量不再减少后停止实验(第4周次循环的充电容量不再减少，反而增加，停止实验)。

测试结果如表1和图2所示。第1周次为未开启均衡系统所测得的电池初始容量，第2至4周次为充电阶段开启均衡系统的测试结果。选取充电过程压差最大的第2周次循环进行分析：充电平台压差超过30 mV的时间较长，几乎持续了整个过程，均衡充电过程中4#单体电池的电压平台最高，导致容量往电压平台低的10#单体电池转移，原本10#单体电池容量最高而4#单体电池的容量较低，充电“均衡”的结果却使得不均衡程度进一步加大，电池模组充电容量由于错误均衡而急剧下降，第2周次充电容量减少了1.64 Ah(5.5%)。第3周次电压平台处压差超过30 mV，相对于第2周次有所减少；被错误均衡的容量相对于第2周次也相应地减少；第4周次电压平台处压差基本都低于30 mV，只有在充电末端出现压差超过30 mV的情况，因此均衡系统只在充电末端工作，而充电末端的单体电压能够较好地反映电池单体间SOC的差异，此阶段的均衡是有效的均衡，因此容量相对于第3周次有所提升。经过4周次充放电循环，原本处于均衡状态的电池模组因充电平台压差有超过30 mV而被BMS的均衡系统“均衡”，反而使电池模组充电容量减少了1.44 Ah(4.8%)。

表1 各周次电池模组充电容量及容量保持率

均衡前后的放电过程如图3所示。图3(a)表明，初始状态各单体电池电压顶端对齐，初始容量30.181 Ah，放电末端存在一定的压差。经过4次充电均衡后各单体电池放电末端的压差变大，如图3(b)所示，电池的不均衡程度加剧，电池容量减少到27.87 Ah，放电容量减少了2.311 Ah(7.7%)。放电容量减少也进一步说明了均衡系统的不均衡。

以上结果表明，以压差为控制参数的均衡系统在电池充电电压平台期工作会降低均衡的准确性，影响充电效果。可设置均衡系统的工作最低平均电压为充电电压平台期结束时的平均电压，以限制均衡系统在充电平台区域开启,提升均衡效果。

2.2 恒流充电模式对均衡效果的影响

在2.1节的测试基础上，改变电池充电SOC区间为整车实际充电区间(20%～100%SOC)，并采用标准充电电流1 C进行恒流充电，充电过程最大压差如图4(a)所示：在20%～95%SOC区间压差均小于30 mV，均衡系统不工作；均衡系统只在电池SOC≥95%区间工作，锂离子电池进入充电末期恒流阶段后，端电压能够较好地反映电池单体间SOC的差异。为加速实验进度，直接在80%～100%SOC区间进行均衡,调整电池SOC为80%，开启均衡系统，以1 C的电流对电池组进行充电，至任一单体电池电压达到3.6 V停止，此时电池SOC为100%,静置1 h，关闭均衡系统，重复以上循环至第23周次，充电过程中均衡系统不再工作，停止实验。

充电均衡过程和结果如图4(b)和图5所示，到了每周次充电末期，电压最高的6#或10#单体电池开始给其余容量较低的单体电池转移容量，均衡系统仅在充电结束前30 s至充电结束后90 s内工作，部分周次的均衡工作时间见表2。到23周次时，压差大于30 mV的持续时间小于1 min，均衡系统不再工作；经过23周次的充电末端均衡后，电池组放电容量为29.567 Ah，相对本节于均衡前的放电容量27.87 Ah提升了1.697 Ah，但未达到模组最高可用放电容量值30.181 Ah。

表2 各周次均衡系统工作时间

(c)第16周次 (d)第23周次

结果表明，以压差为控制参数的主动均衡策略在整车实际应用(电池工作SOC区间20%～100%)过程中，均衡系统可在电池系统充电末端(电池的高SOC区≥95%)发挥容量均衡作用，但均衡时间较短(实测结果小于2 min)，平均每周次的均衡容量不到0.1 Ah(经过23周次均衡后放电容量提升了1.697 Ah)，均衡效果较差。

2.3 分段充电策略对均衡效果的影响

因采用恒流充电方式均衡系统工作时间较短，均衡效率较差，实验改用分段充电的方式对电池模组进行充电。电池模组经人为调整为不均衡状态后电池初始放电容量为18.41 Ah，并采用80%～100%SOC测试区间加速实验。调整电池SOC为80%，连接均衡设备，采用1 C电流充电至任一单体电池电压达到3.56 V，静置30 s，电池充电后的静置过程会导致电池电压有所下降，采用0.5 C充电至任一单体电池电压达到3.56 V，静置30 s；采用0.2 C充电至任一单体电池电压达到3.56 V，静置30 s；采用0.1 C充电至任一单体电池电压达到3.6 V，此时SOC为100%，静置1 h，关注均衡系统的开关启停情况。

重复以上步骤，每12个周次充电均衡后进行一次完整的充放电测试，至电池放电容量接近30 Ah(电池均衡态的容量)时停止实验。采用分段充电的策略，均衡系统工作时间较长，每周次充电均衡系统工作时间为40～60 min之间，部分工作时间见表3。测试结果如图6和图7所示。由图6可以看出，在1 C充电末端开始出现压差超过30 mV的情况，在降流过程最大压差均高于30 mV，均衡持续工作至静置阶段的压差小于10 mV处，经过12周次的均衡，放电容量由18.41 Ah增加到30.735 Ah，已经达到完全均衡状态的放电容量。图7(b)中7#单体电池的电压平台要低于其他电池，因实验电池为旧电池组，在反复循环后7#单体电池的内阻增大[11]，但7#单体电池容量没有明显的下降，不会对本次的实验结果造成影响。可以看出，相对于恒流充电方式，采用末端降流的分段充电模式下均衡效率更高，平均每周次的均衡系统工作时间为3 035 s，平均每周次充电均衡容量大于1 Ah。

表3 部分周次均衡系统工作时间

(a)第1周次 (b)第4周次

(c)第8周次 (d)第12周次

3 结 论

针对通过压差控制的电感式电池组均衡策略，以磷酸铁锂电池系统为对象的实验结果表明：

1) 以压差作为均衡控制参数存在过度均衡的可能，尤其对于旧电池大电流充电时，电压平台处压差超过30 mV，均衡开启压差门限若设置过低，可能会导致均衡系统在充电电压平台处工作造成错误均衡；均衡开启压差门限若设置过高，可能会导致均衡工作时间缩短使均衡效果变差，均衡系统在电压平台区域工作，可导致原本均衡态的电池系统可用容量减少。

2) 使用标准恒流充电策略，均衡只在充电末端开启，均衡效果差。

3) 通过设置均衡系统工作最低平均电压为充电电压平台期结束时平均电压来限制均衡系统在充电平台处工作，并采用分段降流的充电策略，可实现均衡系统在充电末端和静置过程中高效均衡，可有效提高电池系统充电容量，增加电动汽车的续驶里程。