以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略

孫筱琳

摘 ?要：電池是移動(dòng)能源，其對(duì)于電池的能量密度、體積、充放電特性等都有著極高的要求。鋰離子電池是一種良好的能量電池，現(xiàn)今被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、筆記本電腦等移動(dòng)設(shè)備中，但是由于其價(jià)格昂貴，因此在將其用作動(dòng)力電池時(shí)多采用的是眾多鋰離子電池串并聯(lián)形成電池組的方式。文章在分析鋰離子電池組充電特性的基礎(chǔ)上提出了一種基于鋰離子電池剩余容量估計(jì)的鋰離子電池組充放電均衡策略，在提高充放電效率的同時(shí)增強(qiáng)鋰離子電池組的使用壽命。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池組;充放電特性;均衡控制

中圖分類號(hào)：TM912 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：2095-2945（2020）20-0124-02

Abstract： Battery is a kind of mobile energy， which has high requirements for energy density， volume， charge and discharge characteristics and so on. Lithium-ion battery is a kind of good energy battery， which is widely used in mobile devices such as mobile phones， notebook computers and so on. However， because of its high price， many lithium-ion batteries are often used as power batteries in series and parallel to form battery packs. In this paper， based on the analysis of the charging characteristics of lithium-ion battery pack， a charge-discharge equalization strategy based on the estimation of residual capacity of lithium-ion battery is proposed， which can not only improve the charge-discharge efficiency， but also can enhance the service life of lithium-ion battery pack.

Keywords： lithium-ion battery pack; charge and discharge characteristics; equalization control

前言

動(dòng)力電池是新能源產(chǎn)業(yè)的核心之一，高性能的動(dòng)力電池采用鋰離子電池所組成，單一大容量鋰電池的成本較高，因此在電動(dòng)汽車上所使用的鋰電池采用的是單一小容量的鋰電池串并聯(lián)而成，通過(guò)對(duì)所組成的電池組進(jìn)行控制優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)于鋰電池的高效利用。但是由于單一鋰電池的性能差異其在充放電的過(guò)程中存在著電池容量和電荷狀態(tài)不均衡的問(wèn)題，而這一不均衡的問(wèn)題將隨著充放電次數(shù)的增多而加劇。為解決這一問(wèn)題本文提出了基于鋰電池剩余電量估計(jì)的均衡控制策略，用以增強(qiáng)電池的充放電性能，提高電池的使用壽命。

1 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略特點(diǎn)

本文所介紹的以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略其核心在于控制電池在充放電狀態(tài)下的剩余電量，通過(guò)在電池中應(yīng)用此均衡策略目的在于確保鋰電池在充放電的狀態(tài)下保持充滿和放空的一致性，避免在充放電的過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)充或是少充的問(wèn)題，以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的特點(diǎn)在于提高了充電的均衡性，同時(shí)此策有效減少了電池在充放電狀態(tài)下電荷的轉(zhuǎn)移量，從而使得充放電損耗得到了極大降低，提高了鋰電池的使用壽命。

2 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的原理

2.1 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電均衡電路

本以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略利用了一種電感儲(chǔ)能均衡電路，該電路的結(jié)構(gòu)如下圖1所示，從圖1中可以看出該均衡電路所使用的模塊主要包含了兩個(gè)MOSFET和一個(gè)電感。此電路中所含有的MOSFET在關(guān)斷時(shí)受到此電路中所含有的寄生二極管的影響無(wú)法雙向阻隔電流，而是只能阻隔單方向上的電流。借助于MOSFET控制電感的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于單體電池之間的電量遷轉(zhuǎn).在圖1中，利用PWM信號(hào)對(duì)其中的開(kāi)關(guān)S1和S3并關(guān)閉其他的開(kāi)關(guān)將能夠使得單體電池B1的電量向電池B2輸送，其中在每個(gè)PWM信號(hào)的周期內(nèi)電量的輸送將被分為4個(gè)區(qū)間。在第一個(gè)區(qū)段內(nèi)，S1處于接通狀態(tài)從而控制單體電池BI向電路中的電感L1充電，并以施加在電池端的電壓、電感值等參數(shù)完成了一個(gè)周期內(nèi)電池內(nèi)電荷轉(zhuǎn)移量的計(jì)算公式，電荷轉(zhuǎn)移量和電壓成正比、和電感成反比，為確保電感能夠發(fā)揮出最大的性能需要設(shè)定合適的占空比。在第二個(gè)區(qū)段內(nèi)，S1開(kāi)關(guān)斷開(kāi)則電池B1將不再向電感L1內(nèi)充電，在第二區(qū)段內(nèi)其時(shí)間長(zhǎng)度將比開(kāi)關(guān)開(kāi)、斷所需要的時(shí)間大，區(qū)段二是必不可少的。如果缺少第二區(qū)段將會(huì)出現(xiàn)S1開(kāi)關(guān)和S3開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合的問(wèn)題。當(dāng)S1開(kāi)關(guān)和S3開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合時(shí)電池B1和B2就將發(fā)生短路，從而影響電池的充電效果。此外需要注意的是，在第二區(qū)段內(nèi)為保證充放電正常需要為電感L1設(shè)置相應(yīng)的放電回路用以避免其電壓持續(xù)升高而燒毀。在區(qū)段3內(nèi)，S3開(kāi)關(guān)將導(dǎo)通，電路中充電完成的L1將向電池B2內(nèi)充電，開(kāi)關(guān)S3閉合的目的在于旁通二極管，提高電能的使用效率減少損耗。在第四區(qū)段內(nèi)開(kāi)關(guān)S4將斷開(kāi)，L1電流將沿著二極管流向電池B2中，第四區(qū)段電路在為L(zhǎng)1放電的同時(shí)阻斷了電流流回B2的道路，避免了L1所流出的電流重新返回到L1中。

2.2 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略

串聯(lián)電池組在充放電過(guò)程中將會(huì)因自身特性而產(chǎn)生充放電不均衡問(wèn)題，這一問(wèn)題隨著充放電的持續(xù)進(jìn)行而越發(fā)嚴(yán)重，并在單體電池充滿或是放空時(shí)會(huì)對(duì)電池組使得使用壽命產(chǎn)生一定的影響。串聯(lián)的電池組中某單體電池完全放空或是充滿時(shí)，其他單體電池仍有一定的電量，為保護(hù)電池則不能繼續(xù)向電池充電或是放電。此外，充放電過(guò)程中單體電池間不均衡且并未有電池充滿時(shí)，單體電池的沖放電并不影響電池的使用壽命。因此，在動(dòng)力電池充放電控制上無(wú)需時(shí)刻保持均衡，僅需保證各單體電池在同一時(shí)間完成充滿或是放空即可在不影響電池使用壽命的基礎(chǔ)上最大限度地利用電池組的容量。為提高均衡效率可以通過(guò)減少均衡控制過(guò)程中所轉(zhuǎn)移電荷的總量來(lái)降低損耗，提高控制效率。

以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略主要以電池剩余電量的估計(jì)為檢測(cè)目標(biāo)，不同于傳統(tǒng)的均衡策略中所使用的電壓或是荷電狀態(tài)等，其并不注重充放電過(guò)程中的均衡性，而將著重點(diǎn)放在單體電池在同一時(shí)間充滿或是放空，并盡可能地減少均衡過(guò)程中的電荷的轉(zhuǎn)移量，將損耗控制在較低的水平。在充電狀態(tài)下，單體電池剩余電量為單體電池最大容量與初始電量的差值。而在放電狀態(tài)下，單體電池剩余電量為初始電量與單體電池最小容量的差值。通過(guò)將以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略與基于SOC估計(jì)的均衡策略進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)， 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略要比基于SOC估計(jì)的均衡策略所轉(zhuǎn)移的電荷量要小得多，從而有效地減少了損耗， 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略能夠在大容量、大初始載荷的單體電池充放電均衡控制中發(fā)揮出較為良好的效果。以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的算法是通過(guò)對(duì)比各單體電池的剩余電量并控制單體電池的剩余電量差異在所設(shè)定的范圍內(nèi)，均衡控制時(shí)首先確定單體電池剩余電量最大的電池作為輸入電荷的單體電池，而后以此單體電池兩側(cè)電池剩余電量的平均值來(lái)確定電荷的流向，進(jìn)而確定輸出電荷的單體電池。這一控制策略將不斷地持續(xù)直至所有電池充滿或是放空。在實(shí)際的均衡控制中，均衡控制電路將通過(guò)采集各單體電池的電壓、電流、溫度等的參數(shù)來(lái)對(duì)單體電池的剩余電量進(jìn)行估計(jì)，并以所估計(jì)的剩余電量來(lái)規(guī)劃各電池電荷轉(zhuǎn)移的電池對(duì)，在一個(gè)均衡周期結(jié)束后將會(huì)繼續(xù)重復(fù)上述過(guò)程，通過(guò)逐漸的均衡用以確保各單體電池能夠在同一時(shí)間內(nèi)完成充放電作業(yè)。

以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略其最核心的部分在于估計(jì)電池的剩余容量，為估計(jì)這一參數(shù)可以采用在線容量估計(jì)法，此方法是以兩個(gè)時(shí)刻單體電池的荷點(diǎn)狀態(tài)為分子，以在這一時(shí)段內(nèi)所轉(zhuǎn)移的電荷量為分母完成單體電池容量的計(jì)算。

2.3 以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的仿真

在完成了以電池剩余電量為基準(zhǔn)均衡充放電策略的控制后，為測(cè)試該控制策略的性能采用模擬仿真的方式對(duì)其進(jìn)行測(cè)算。仿真以三個(gè)單體電池串聯(lián)所組的電池組為測(cè)試點(diǎn)，分別使用基于SOC估計(jì)策略和基于剩余電量的均衡策略進(jìn)行仿真分析。通過(guò)對(duì)仿真后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，基于SOC的估計(jì)策略能夠在85s左右完成均衡控制，而基于剩余電量的均衡策略則是在315s完成均衡控制。而在均衡控制所損耗的電荷量則是基于SOC估計(jì)策略所損耗的較多，相對(duì)于基于剩余電量的均衡策略基于SOC估計(jì)策略損耗電量和電荷轉(zhuǎn)移量都要高出30%以上。因此相對(duì)于來(lái)說(shuō)基于剩余電量的均衡策略耗時(shí)較長(zhǎng)可以將其應(yīng)用于慢充狀態(tài)，而對(duì)于快充狀態(tài)則可以應(yīng)用于其他均衡控制策略。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于剩余電量的均衡策略其主要特點(diǎn)在于優(yōu)化了過(guò)程控制，其核心控制點(diǎn)在于控制電池充電、放電完成的同時(shí)性，而對(duì)于電池組充放電過(guò)程中的實(shí)時(shí)均性并不加以關(guān)注，該策略核心在于優(yōu)化均衡單體電池的電荷轉(zhuǎn)移量，減少電荷的損耗?；谑Ｓ嚯娏康木獠呗韵鄬?duì)于基于SOC估計(jì)的均衡控制策略等簡(jiǎn)化了控制體系，提高了電池組的使用壽命。由于基于剩余電量的均衡策略不注重電池的實(shí)時(shí)均衡性，而在于剩余電量的均衡性，因此在電池組充放電控制的過(guò)程中將會(huì)耗費(fèi)更多的時(shí)間。基于剩余電量的均衡策略能夠在單體大容量、大規(guī)模電池組沖方面過(guò)程中獲得較好的充放電質(zhì)量。

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