后备电源用锂离子电池均衡控制的改进方法

汤秀芬， 米 晨

（宁夏大学a．物理与电子电气工程学院；b．资产与实验室管理处，银川750021）

0 引 言

一些重要的城市服务机构和工业生产机构需要后备电源保证供电。在电网断电的情况下，后备电源直接给设备供电，维持设备的正常运行，保证不间断供电。例如，医院的重要医疗服务设备（如手术设备）的供电；一些大型工业用户的生产过程（如铁熔提纯以及食物加工）不间断供电等。

由锂离子电池组组成的后备电源使用后期易导致单体电池出现性能差异［1-2］，尤其是电池组的容量、寿命、安全等方面。电池组均衡控制技术是缓解电池性能不一致性的一种有效方法。目前均衡控制技术［3-10］主要分被动均衡和主动均衡两种。考虑备用电源的安全要求，选用可靠性高的被动均衡技术对成组电池进行均衡［11-13］。其工作原理为：当单体电池电压及电压差达到设定的门限值时，电压高的电池对应的开关器件导通，通过均衡负载分流部分充电电流，达到均衡目的。

本文选取易于采集的电池工作电压作为电池组均衡控制参数，设定3．4、3．5、3．6 V 3 个不同均衡阈值电压分别对4只3．2 V 20 Ah磷酸铁锂电池组成的电池组进行0．1 C、0．25 C 和0．5 C 倍率的充电均衡测试，从电池组均衡能耗和均衡速度两项指标进行评估。通过对比分析后，得到适合后备电源用锂离子电池组的均衡控制阈值电压。

后备电源应具备以下主要特点：在电力系统正常供电的情况下，要求充电速度快，在尽可能短的时间内，将电池组充满，以备下一次断电时，能为用电设备提供较长的时间支持，而对均衡充电的能耗损失不做过高要求。而对于其他一些一般设施的后备电源，对均衡充电的要求则不同，对充电均衡能耗和均衡速度都要兼顾，在减少充电时间的前提下，尽量减少能耗损失。

1 电池组均衡控制参数的选取

均衡控制参数是均衡控制系统评价锂电池组不一致性程度的特征参数［13］，应当具有易于采集，采集精度高等特点。通常，单体电池的OCV、工作电压、SOC等参数都可以在一定程度上描述电池组的不一致性。采用OCV作为均衡变量，易于测量，稳定性好，准确性较高，与SOC之间存在一一对应关系，但要求电池处于静置状态；采用SOC作为均衡变量，可以有效地使用电池组容量，使组中电池处于相同的DOD，避免电池出现不同程度的老化，缺点是无法保证SOC的估算精度，实时性差；采用工作电压作为均衡变量，便于测量，且采集精度高，能有效避免电池过充或过放。故本设计的均衡控制策略是在一般选取固定工作电压的基础上，拟选取不同的工作电压作为电池组均衡控制参数。

2 实验与结果讨论

2.1 实验设计

采用自行设计制作的锂离子电池组均衡控制电路和恒压源负载对电池组进行充放电实验，搭建由电池均衡控制电路、恒流恒压电源、恒压源负载、恒流源负载、多路循环定时器及锂离子电池组等组成的实验平台。恒流恒压电源选用兆信公司的RXN-3030D电源，采用台湾泰仕公司的TES-32 A电池测试仪自动测量单体电池工作电压和内阻，单体电池充电电流的记录采用手工记录方式。实验使用3．2 V 20 Ah磷酸铁锂电池，其容量分别为：1号电池为18．627 Ah，2号电池为18．558 Ah，3 号电池为18．848 Ah，4 号电池为

18 ．936 Ah。

实验分为3组：2 A均衡充电2 A恒流放电，5 A均衡充电5 A恒流放电和10 A均衡充电10A恒流放电，每组实验又分别在均衡阈值电压设定为3．4、3．5和3．6 V 3种情况下进行。采用普通三段式充电法，将均衡电路的恒压源负载恒压值设定为3．6 V，确保每个电池的充电截止电压为3．6 V。2 A恒流放电的截止电压设定为2．8 V，5 A恒流放电的截止电压设定为2．7 V，10 A恒流放电的截止电压设定为2．6 V。依据电池充电电流下降到0．02 A（0．001 C）时，判定充电结束。

2.2 电池2 A恒流均衡充电测试

电池2 A恒流均衡充电测试结果如图1所示。

图1 2 A不同阈值电压介入均衡电流曲线

由图1可见，547 min时，2号电池充电电流降为1．996 A，均衡开始，其均衡电流为4 mA；551 min时，1号电池充电电流降为1．985 A，均衡开始，其均衡电流为15 mA；555 min时，3号电池充电电流降为1．993 A，均衡开始，其均衡电流为7 mA；560 min 时，4号电池充电电流降为1．993 A，均衡开始，其均衡电流为7 mA。此刻，4只电池均进入均衡充电状态。充电进行到600 min时，4号电池的充电电流最后降到0．02 A，均衡结束，电池组的均衡时间为53 min。依次方法，其他两个实验的均衡时间分别为46 min和45 min。

2.3 电池5 A、10 A恒流均衡充电测试

电池5 A和10 A的实验均按上述2 A的方法计算均衡时间（见图2、3），各实验的均衡时间如表1所示。

图2 5 A不同阈值电压介入均衡电流曲线

图3 10 A不同阈值电压介入均衡电流曲线

表1 均衡时间比较 min

电池均衡能耗是利用Matlab软件的积分函数对均衡电流积分计算得到的，2 A／5 A／10 A恒流充电3．4 V／3．5 V／3．6 V 均衡电压介入后的均衡能耗如表2所示。

表2 均衡能耗比较%

2.4 结果与讨论

4个电池容量大小顺序依次是2号、1号、3号和4号，进入均衡顺序除了5 A／3．4 V 和10 A／3．4 V 实验略有不同之外，其余和电池容量从小到大的顺序一致。容量较小的电池电压升高得较快，所以先到达设定的均衡阈值电压，电压比较器和继电器动作，将均衡电路切入充电电路，对充电电流分流，用均衡能耗负载消耗部分充电能量，维持电池充电电压恒定，防止过充。

由表1和表2可知，当充电电流一定，均衡阈值设为3．4 V时，均衡能耗最高，均衡速度最慢；当均衡阈值设为3．6 V时，均衡能耗最低，均衡速度最快；当均衡阈值设为3．5 V时，既保证了一定的均衡速度，又兼顾均衡能耗，达到两者之间的平衡。当均衡阈值一定时，充电电流设为2 A时，均衡能耗最低，均衡速度适中；充电电流设为10 A时，均衡能耗最高，均衡速度最快；当充电电流设为5 A时，均衡能耗适中，均衡速度最低。

实验数据显示，均衡阈值电压设为3．5 V及3．6 V时，恒流充电阶段时间较长，充入容量较高，进入恒压均衡阶段前，电池的荷电量大于95%，进入恒压均衡后，均衡电流按准指数规律增加，均衡时间较短；而均衡阈值电压设为3．4 V时，恒流阶段时间相对较短，电池充入的容量较低，进入恒压均衡阶段前，荷电量小于90%，进入恒压均衡阶段后，均衡电流按双段准指数规律增加，中间部分均衡电流变化较缓慢，尤其图3（a）的均衡电流出现了一个明显的平台，其均衡电压的测试数据在此阶段也呈现缓慢变化趋势，说明充电电流保持一段相对稳定的值，电池内部反应速度较慢，反应过程中，活性物质分布较为均匀，对电池起到一定的修复和激活作用［14］，当电池电压升高到3．45 V以上时，均衡电流快速上升，此时，电池拥有98%左右较高的荷电量，充电接近尾声，进入浮充充电阶段。锂离子电池充电过程中内部工作机理的研究也表明：较高的充电阈值电压能够允许较大的正、负极电势差，从而使得更多的锂离子能够嵌入到负极活性材料中［14-15］。

3 结 语

本文针对后备电源系统提出的不同阈值电压的均衡控制策略，利用自行研制的锂离子电池组均衡控制电路搭建实验平台对该均衡策略进行实验验证，从电池组均衡能耗和均衡速度这两项指标对均衡策略进行评估。通过对实验结果分析，验证了不同的应用场合应该采用不同的均衡充电策略，对于一些重要的后备电源系统，要保证电池组随时处于满电状态，对充电速度要求较高，宜采用大电流大阈值均衡控制方法，迅速有效地将电池组充满电。在另外一些应用场合下，例如，光伏发电、风力发电系统，宜采用小电流大阈值均衡控制方法，在尽量减小均衡能耗的前提下给电池组充电，提高能源的利用率。