一種鋰電池組均衡管理方案設(shè)計(jì)

張友近

（西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，四川 成都610500）

鋰電池組通常由若干單體鋰電池串聯(lián)組成。由于單體鋰電池在電壓、容量、及內(nèi)阻等方面不盡相同[1]，在成組使用時(shí)，連續(xù)的充放電循環(huán)將導(dǎo)致鋰電池組內(nèi)某些單體電池的容量迅速衰減，而電池組的容量由單體電池的最小容量決定，因此單體電池的不一致性將導(dǎo)致鋰電池組的使用壽命縮短[2]。因此必須均衡管理鋰電池組的充放電。

目前關(guān)于鋰電池組均衡管理的研究中，PARKHS等[3]利用多副邊隔離變壓器來均衡鋰電池組的充電，該方法避免了電流過大對(duì)電池組造成損害，但缺點(diǎn)在于變壓器的副邊數(shù)導(dǎo)致調(diào)整電池?cái)?shù)量的靈活性有限。黎繼剛等[4]采用一種奇偶均衡電路，該電路避免了電能的單一流向，提高了均衡效率，但缺點(diǎn)是電能的轉(zhuǎn)移方向被奇偶均衡模塊固定，靈活性較低。

針對(duì)上述均衡方式的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種基于功率電感的均衡管理方案。該方案采用模塊化設(shè)計(jì)[5]，可擴(kuò)展性好，以功率電感作為能量傳遞媒介構(gòu)建雙向均衡電路，以鋰電池單體的開路電壓和工作電壓作為均衡變量，實(shí)現(xiàn)鋰電池組充電及放電過程的動(dòng)態(tài)均衡。

1 基于功率電感的均衡電路結(jié)構(gòu)

基于功率電感的均衡電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，L1為功率電感，R1為L(zhǎng)1的消磁電阻；MOSFET用于控制均衡旁路的開啟和關(guān)閉；Z1、Z2為體二極管，用于構(gòu)成放電回路。

圖1 均衡電路圖

以圖中Cell1和Cell2為例，均衡開始時(shí)，檢測(cè)Cell1和Cell2的電壓值，判定是否滿足均衡條件。假設(shè)滿足均衡條件且有U2＞U1，開啟均衡后，整個(gè)均衡過程分為Cell2放電、Cell1充電和電感消磁三個(gè)階段。

Cell2放電：控制系統(tǒng)令MOSB閉合，Cell2、L1和MOSB構(gòu)成放電回路，Cell2開始對(duì)L1放電，將部分電能儲(chǔ)存在L1中。

Cell1充電：控制系統(tǒng)令MOSB斷開，MOSA閉合，Cell1、L1和MOSA構(gòu)成充電回路。此時(shí)，L1對(duì)Cell1進(jìn)行放電。隨著放電電流的減小，電感兩端電壓不足以抵消Cell1電壓與MOSA正向?qū)妷?，L1放電結(jié)束。

電感消磁：L1放電結(jié)束時(shí)，仍有部分能量殘余，此時(shí)L1、R1、MOSA以及Cell1構(gòu)成一個(gè)RLC諧振電路，將電感L1中的剩磁耗散，保證電路參數(shù)穩(wěn)定。

2 均衡控制策略

均衡控制的流程是：首先識(shí)別鋰電池組工作狀態(tài)，再根據(jù)制定的均衡變量和均衡指標(biāo)來判定不一致性，若滿足均衡條件則開啟均衡，同時(shí)不斷監(jiān)測(cè)電池狀態(tài)，滿足停止條件后停止均衡[6]。針對(duì)鋰電池組處于充電、放電工作階段分別制定了相應(yīng)的控制策略，

2.1 充電階段均衡

充電階段均衡目的在于最大化利用電池組的容量，避免電壓較高的電池單體提前截止充電。當(dāng)電池組的極差大于設(shè)定的閾值時(shí)，且電壓最高的電池單體與相鄰電池單體的電壓在設(shè)定的范圍內(nèi)，此時(shí)按照電壓由高到低的順序依次均衡，最終使各電池單體電壓達(dá)到一致，該均衡過程為頂部均衡。

2.2 放電階段均衡

放電階段均衡目的在于最大化利用鋰電池組儲(chǔ)存的電能，避免電壓較低的電池提前截止放電。在電池組的電壓極差大于設(shè)定的閾值時(shí)，且電壓最低的電池單體與相鄰電池電壓均在設(shè)定的范圍內(nèi)，此時(shí)按照電壓由低到高順序依次均衡，最終使各電池單體電壓達(dá)到一致，此過程為底部均衡。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用標(biāo)稱電壓3.3V，額定容量20Ah的磷酸鐵鋰電池組展開充放電均衡實(shí)驗(yàn)。將均衡前后各單體電池狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證均衡方案的有效性。

3.1 充電階段均衡實(shí)驗(yàn)

取5節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)成組，以C/3(C表示電池充放電電流大小的倍率，若電池容量為2000mAh，1C表示2000mA)的電流進(jìn)行恒流充電。第1次充電時(shí)不啟動(dòng)均衡，當(dāng)有電池單體電壓上升到3.7V時(shí)停止充電，充電過程曲線如圖2所示。

對(duì)上述磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行放電，當(dāng)有單體電池電壓降為3.0V時(shí)放電停止，擱置一段時(shí)間后，進(jìn)行第2次恒流充電時(shí)啟動(dòng)均衡管理，此時(shí)充電過程曲線如圖3所示。圖4為啟動(dòng)均衡前后Cell1充電過程工作電壓對(duì)比曲線。圖2、圖3對(duì)比可以看出，啟動(dòng)均衡后電池組中單體電池到達(dá)充電截止電壓的時(shí)間不斷后延，表明電池組充入了更多的電量。根據(jù)圖4可以計(jì)算出，啟動(dòng)均衡后Cell1的可充入容量增加了至少1.4Ah以上。

圖2 啟用均衡前鋰電池組充電曲線

圖3 啟用均衡后鋰電池組充電曲線

圖4 啟用均衡前后Cell1充電對(duì)比曲線

圖5 啟用均衡前鋰電池組放電曲線

3.2 放電階段均衡實(shí)驗(yàn)

再取5節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)成組，充滿電后以1C電流恒流放電至有單體電池電壓降為2.7V時(shí)截止，放電曲線如圖5所示。重新充滿后，啟動(dòng)均衡管理后仍以1C電流恒流放電至2.7V時(shí)截止，放電曲線如圖6所示。圖7為啟動(dòng)均衡前后Cell3放電工作電壓對(duì)比曲線。從圖5、圖6對(duì)比可以看出，啟動(dòng)均衡后電池單體放電到截止的時(shí)間不斷后延，表示電池組放出了更多的電能。根據(jù)圖7可以計(jì)算出，啟動(dòng)均衡后Cell3的可用容量增加接近6.2%。由此可見，均衡系統(tǒng)改善了電池組不一致性，提高了電池組容量利用率。

圖6 啟用均衡后鋰電池組放電曲線

圖7 啟用均衡前后Cell3放電對(duì)比曲線

4 結(jié)論

對(duì)磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行均衡管理，改善其使用過程中的不一致性，提高了電池組容量利用率，充分發(fā)揮每節(jié)電池單體的性能，同時(shí)調(diào)整了性能較差電池充放電工況，延長(zhǎng)電池組使用壽命。本文以功率電感作為能量傳遞媒介構(gòu)建雙向均衡電路，建立適用于電池充放電階段的均衡管理策略。最終實(shí)驗(yàn)證明，在鋰電池組充電和放電模式下均衡管理方案行之有效。

［1］王震坡，孫逢春，張承寧.電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池組不一致性統(tǒng)計(jì)分析[J].電源技術(shù),2003,27(5)：438-442.

［2］雷娟，蔣新華，解晶瑩.鋰離子電池組均衡電路的發(fā)展現(xiàn)狀[J].電池,2007(1)：62-63.

［3］PARK H S,KIM C E,MOON G W,et al.Charge equalization with series coupling of multiple primary windings for hybrid electric vehicle Li-ion battery system[J].IEEE,2007(6):266-271.

［4］黎繼剛，張寅孩，林俊，等.基于DSP的動(dòng)力鋰離子動(dòng)力電池奇偶均衡充電電路[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2009,22(7)：90-92.

［5］魏學(xué)哲,孫澤昌,鄒廣楠.模塊化的HEV鋰離子電池管理系統(tǒng)[J].汽車工程,2004,26(6):629-631.DOI:10.3321/j.issn:1000-680X.2004.06.001.

［6］王飛,李波.基于Cuk變換器的電池均衡控制策略分析[J].汽車科技,2008(3):36-38.