蓄電池組能量轉(zhuǎn)移型均衡充放電控制策略研究

王永科 張銀娟

摘? ?要：針對(duì)蓄電池組中單體電池的充放電特性存在不一致性的問(wèn)題，文章提出一種基于儲(chǔ)能介質(zhì)的能量轉(zhuǎn)移型均衡方案。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該充放電控制策略均衡、簡(jiǎn)單、有效，可為后續(xù)開(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)提供研究基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：蓄電池組;數(shù)學(xué)模型;均衡控制;能量轉(zhuǎn)移

動(dòng)力電池對(duì)大電壓、大功率的實(shí)際需求不斷擴(kuò)大，將小容量單體電池組成大的電池組是常用的解決方法。單體電池間在制造和使用過(guò)程中，有一定的充放電特性差異，隨著環(huán)境溫度的變化以及過(guò)度充電或過(guò)度放電等不良的使用，這種差異不僅影響電池組使用特性，還會(huì)導(dǎo)致電池組的使用壽命降低，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)期使用壽命。同時(shí)，隨著電池組充放電次數(shù)的增加，這種單體電池的充放電特性不一致性將愈趨明顯。

電池組的充放電特性取決于性能最差的單體電池。從均衡控制電池組入手，使得電池組單體電池達(dá)到充放電特性均衡一致的狀態(tài)，保證電池組正常使用特性和預(yù)期壽命[1-4]。電池組均衡的本質(zhì)是使各單體電池間儲(chǔ)存和釋放的能量達(dá)到均衡，電池的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）能精確反映電池間儲(chǔ)存和釋放的能量關(guān)系，基于此，提出一種新型的基于能量轉(zhuǎn)移的電池組充放電均衡控制策略，設(shè)計(jì)一套以蓄電池作為能量轉(zhuǎn)移載體的功率回路，均衡地判據(jù)選擇單體電池的蓄電池荷電狀態(tài)。

1? ? 電池組均衡控制策略

電池組均衡控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置載體電池，通過(guò)載體電池實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)部能量雙向轉(zhuǎn)移，以達(dá)到電池組單體電池的均衡充放電。

1.1? 蓄電池模型建立

將電池模型通過(guò)可控電壓源和內(nèi)阻的形式表達(dá)[5-6]，電池模型表達(dá)式如公式（1）—（3）所示：

式中：E0為電池電壓常數(shù)值;K為極化電壓;Q為電池額定容量;A為指數(shù)區(qū)間電壓降落值;B為指數(shù)系數(shù);q為電池放出的容量。

1.2? 均衡控制原理

單體電池SOC檢測(cè)過(guò)程和電池組均衡過(guò)程是電池組均衡控制系統(tǒng)工作的兩個(gè)基本狀態(tài)。

單體電池SOC檢查狀態(tài)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)電池組各單體電池SOC，區(qū)分出電池組各單體電池SOC的大小，估算電池組平均有效的SOC值。當(dāng)單體電池SOC檢測(cè)過(guò)程完成，均衡控制系統(tǒng)隨即進(jìn)入電池組均衡過(guò)程。

電池組均衡過(guò)程是兩個(gè)能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程，分別為載體電池充電狀態(tài)和載體電池放電狀態(tài)。

電池組均衡過(guò)程先由單體電池SOC大的電池向載體電池放電，即將SOC大的電池能量轉(zhuǎn)移到載體電池。當(dāng)載體電池充滿或能量轉(zhuǎn)移完成時(shí)，載體電池停止充電，開(kāi)始放電，即載體電池向單體電池SOC小的電池充電。當(dāng)載體電壓下降到設(shè)定值或能量轉(zhuǎn)移完成時(shí)，此次電池組均衡過(guò)程完成。

單體電池SOC檢測(cè)過(guò)程和電池組均衡過(guò)程交替循環(huán)工作，通過(guò)轉(zhuǎn)移能量降低或消除單體電池間SOC的差值，最終完成電池組的均衡控制。

1.3? 系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電池組均衡控制系統(tǒng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，B1—B4代表4個(gè)單體的電池組;B5代表載體電池，需要完成能量轉(zhuǎn)移時(shí)的充放電，L組和R組為兩級(jí)開(kāi)關(guān)，都為升降壓斬波器。

2? ? 試驗(yàn)驗(yàn)證

采用2節(jié)鋰電池串聯(lián)，單體額定電壓3.2 V，容量50 Ah。載體電池額定電壓2.0 V，容量10? Ah。

當(dāng)單體電池間SOC最大差值大于1%時(shí)，啟動(dòng)均衡。單體電池間SOC最大差值不大于0.1%時(shí)，結(jié)束均衡。以電池組放電電流方向?yàn)檎?，設(shè)置充電電流為10 A，均衡載體電流為5 A，放電電流為10 A。

2.1? 充電不均衡試驗(yàn)

電池組在充電階段中的均衡過(guò)程，取單體電池1的初始荷電容量SOC1=20.9%，單體電池2的初始荷電容量SOC2=20%。如圖2所示，在線試驗(yàn)充電140 s后，SOC1=21.65%，SOC2=20.65%，達(dá)到啟動(dòng)均衡的條件，均衡啟動(dòng)，單體電池1開(kāi)始以5 A電流向載體電池放電，在320 s電池1停止均衡放電，載體電池開(kāi)始向單體電池2以5 A電流均衡充電，在500 s時(shí)SOC1=23.04%，SOC2=22.94%，達(dá)到均衡停止的條件，均衡結(jié)束。

2.2? 放電不均衡試驗(yàn)

仿真電池組在放電階段中的均衡過(guò)程，取單體電池1的初始荷電容量SOC1=59.1%，單體電池2的初始荷電容量SOC2=60%。如圖3所示，在線試驗(yàn)放電140 s后，SOC1=58.35%，SOC2=59.35%，達(dá)到啟動(dòng)均衡的條件，均衡啟動(dòng)，單體電池2開(kāi)始以5 A電流向載體電池放電，在320 s單體電池2停止均衡放電，載體電池開(kāi)始以5 A電流向單體電池1均衡充電，在500 s時(shí)SOC1=56.95%，SOC2=57.05%，達(dá)到均衡停止的條件，均衡結(jié)束。

3? ? 結(jié)語(yǔ)

一種基于儲(chǔ)能介質(zhì)能量轉(zhuǎn)移的均衡控制策略，以單體電池的SOC作為電池組均衡的判據(jù)，設(shè)計(jì)均衡拓?fù)潆娐?。通過(guò)對(duì)充電和放電階段的均衡進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，該充放電控制策略均衡簡(jiǎn)單有效，可以防止電池組過(guò)度充電和過(guò)度放電，為后續(xù)開(kāi)發(fā)電池管理系統(tǒng)提供研究基礎(chǔ)。

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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