動(dòng)力電池均衡充電控制策略研究

徐順剛， 鐘其水， 朱仁江

(1．重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400030;2．電子科技大學(xué)航天科學(xué)技術(shù)研究院，四川成都 611731;3．重慶大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400030)

0 引言

在電動(dòng)汽車的產(chǎn)業(yè)化工程中，動(dòng)力電池的性能是影響整車性能的關(guān)鍵因素之一，同時(shí)在整車成本中占有較高的比例，甚至可以說動(dòng)力電池對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)起著決定性作用。因此延長(zhǎng)動(dòng)力電池的循環(huán)壽命，提升動(dòng)力電池性能對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)有著重要意義［1－3］。

動(dòng)力電池通常采用多個(gè)單體電池串聯(lián)方式為電動(dòng)汽車供電，由于在制造過程中，單體電池的電壓、內(nèi)阻以及工作溫度等均不完全相同，各單體電池的初始容量存在一定差異。在電池組放電過程中，容量低的單體電池首先因過放電導(dǎo)致單體電池電壓過低而喪失放電能力。此時(shí)，相對(duì)于其他容量高的單體電池，容量低的單體電池變成了負(fù)載，由容量高的單體電池對(duì)其供電，從而出現(xiàn)單體電池極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，使得整個(gè)電池組不能夠正常工作，同時(shí)其壽命也會(huì)受到極大影響［4－6］。在隨后的充電過程中，這些容量減小的單體電池又會(huì)首先被充滿，出現(xiàn)過充電現(xiàn)象，使得整個(gè)電池組不能正常充滿電。在實(shí)際使用中，串聯(lián)電池組能夠?qū)嶋H放出的容量是由容量最小的單體電池所決定的，當(dāng)該單體電池容量告罄時(shí)，整個(gè)電池組將無法繼續(xù)正常工作，充電過程也是如此。因此在電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池使用過程中，單體電池不均衡是影響電池組工作的重要因素，因此對(duì)電池組進(jìn)行均衡控制是十分必要的［7－11］。目前國(guó)內(nèi)對(duì)電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的研究主要集中在電池荷電狀態(tài)預(yù)估和熱管理等方面［12－16］，其主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池組的監(jiān)控和安全保護(hù)，而對(duì)動(dòng)力電池組的均衡控制方法、均衡充電控制策略以及如何通過均衡控制延長(zhǎng)電池組循環(huán)壽命的研究還較少。

本文分析單體電池性能不一致對(duì)動(dòng)力電池組循環(huán)壽命的影響，指出電池組提前失效的主要原因，針對(duì)性的研究電池組均衡充電控制電路模型，并提出一種既能夠?qū)崿F(xiàn)電池組快速充電，又能夠消除單體電池不一致對(duì)電池組循環(huán)壽命影響的均衡充電控制策略。

1 均衡電路模型分析

如圖1所示的耗散型均衡電路具有簡(jiǎn)單可靠、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)而廣泛適用于電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能系統(tǒng)中［17－18］。單體電池通過與之并聯(lián)的均衡開關(guān)S和均衡電阻R實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流的均衡，均衡電流通過控制均衡開關(guān)的占空比來實(shí)現(xiàn)。圖1中，ic為充電器的充電電流，vb為單體電池電壓，ib為對(duì)應(yīng)的單體電池充電電流。

圖1 耗散型均衡電路Fig．1 Block diagram of resistor equalizing circuit

在單體電池充電過程中，通過控制均衡開關(guān)的狀態(tài)，可在一定范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)節(jié)單體電池的充電電流。當(dāng)忽略均衡開關(guān)S的阻抗時(shí)，單體電池的充電電流為

圖2為單體電池的均衡充電等效模型，其中ie為均衡電流，Zb為電池特性函數(shù)，Eq為均衡控制函數(shù)。

圖2 單體電池均衡電路等效模型Fig．2 Model of cell equalizing circuit．

由等效模型可知，單體電池輸出電壓可以表示為

當(dāng)電池組串聯(lián)充電時(shí)，其均衡充電模型如圖3所示。

圖3 串聯(lián)電池組均衡充電模型Fig．3 Model of battery in series equalizing charge control

在電池組的串聯(lián)充電過程中，由于各單體電池的特性Zbi不會(huì)完全一致，為了達(dá)到均衡充電的目的，必須盡量縮小單體電池電壓間的差異，使其盡可能完全一致。由于在均衡充電過程中ib≤ic始終成立，因此均衡控制函數(shù)可表示為

在充電時(shí)，雖然所有單體電池都串聯(lián)在一起進(jìn)行充電，但由于每個(gè)單體電池的均衡電流各不相同，其對(duì)應(yīng)的充電電流也不相同。由于每個(gè)單體電池的均衡電流都可以在一定范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)節(jié)，通過適當(dāng)?shù)某潆娍刂撇呗?，可以針?duì)性的對(duì)不同單體電池進(jìn)行區(qū)別性充電，從而消除充電過程中單體電池間的電壓差異，使得在每次充電過程中都能把所有的單體電池充飽，延長(zhǎng)電池組的循環(huán)壽命。

2 均衡充電控制策略

均衡充電系統(tǒng)如圖4所示，虛線框內(nèi)的均衡電路由若干個(gè)均衡單元和一個(gè)均衡管理單元構(gòu)成。均衡管理單元通過監(jiān)測(cè)電池組中各個(gè)單體電池的電壓和充放電電流，計(jì)算其剩余容量。在充電時(shí)，根據(jù)剩余容量和電池電壓決定單體電池的荷電狀態(tài)以及調(diào)節(jié)其充電電流。最終實(shí)現(xiàn)根據(jù)單體電池的不同狀態(tài)，調(diào)整其充電電流至最佳值，使電池組中所有單體電池的充電電壓有近乎相同的充電曲線，從而達(dá)到近似于單體電池并聯(lián)充電的效果。

圖4 均衡充電控制系統(tǒng)Fig．4 Block diagram of equalizing charge control system

對(duì)于各個(gè)均衡電路單元，均衡開關(guān)由脈寬調(diào)制信號(hào)控制，其占空比Si為

式中:VDT為電池組中最高電壓?jiǎn)误w電池與最低電壓?jiǎn)误w電池的電壓差，反映了電池組的均衡情況;k為比例因子，其表達(dá)式為

式中，VTH1和VTH2為均衡控制的設(shè)定閥值。

當(dāng)均衡電阻的阻值為R時(shí)，電池組中任意單體電池的充電電流可以表示為

因此，串聯(lián)電池組中即使存在單體電池電壓不一致的情況，由于充電過程中均衡電路的作用，電壓高的單體電池充電電流相對(duì)較小，電壓上升速度相對(duì)較慢;反之，電壓低的單體電池充電電流相對(duì)較大，電壓上升速度相對(duì)較快。從而使電池組中單體電池差異保持在合理范圍內(nèi)，只要均衡能力足夠，并能使之最終完全消除，從而達(dá)到保護(hù)電池延長(zhǎng)電池循環(huán)壽命的作用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文構(gòu)建72 V/120 AH鉛酸蓄電池組的均衡充電控制測(cè)試系統(tǒng)，均衡電流取值為2.4 A，恒流充電電流為24 A，恒壓充電電壓為每單體2.425 V，浮充充電電壓為每單體2.277 V。圖5和圖6分別為沒有均衡控制和有均衡控制的電池組充電時(shí)的單體電池電壓實(shí)驗(yàn)波形。

圖5 無均衡時(shí)單體電池充電電壓Fig．5 Cell charging voltages without equalization circuit

圖6 有均衡時(shí)單體電池充電電壓Fig．6 Cell charging voltages with equalization circuit

由圖5可知，由于串聯(lián)電池組中單體電池的性能不一致，其電壓并不相同。當(dāng)充電時(shí)，由于沒有均衡控制，所有單體電池的充電電流完全相同，從而使單體電池電壓差異逐漸增大。在充電后期，單體電池電壓出現(xiàn)嚴(yán)重不均衡，部分單體電池嚴(yán)重過充電，而另外一部分單體電池則嚴(yán)重欠充電。

由圖6可知，采用本文所提出的均衡充電控制策略后，雖然在開始充電階段各個(gè)單體電池之間存在明顯的不均衡，但由于均衡控制電路能根據(jù)電池組的均衡狀況修正每個(gè)單體電池的充電電流，隨著充電過程的進(jìn)行，單體電池電壓差異逐漸縮小，在充電后期達(dá)到較好的均衡效果，從而能夠提高電池組的性能和循環(huán)壽命。

4 結(jié)語

本文分析了單體電池性能不一致對(duì)動(dòng)力電池組循環(huán)壽命的影響，指出了動(dòng)力電池組提前失效的主要原因，并在此基礎(chǔ)上研究了電池組均衡充電控制電路模型，提出了一種既能夠?qū)崿F(xiàn)電池組快速充電，又能夠消除單體電池不一致對(duì)電池組循環(huán)壽命影響的均衡充電控制策略。根據(jù)本文所提出的均衡充電控制策略，對(duì)72 V/120 AH鉛酸蓄電池組進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該策略的有效性。

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