一種動力鋰電池均衡系統(tǒng)設(shè)計

楊立宏

YANG Li-hong

（中山火炬職業(yè)技術(shù)學(xué)院，中山 528436）

0 引言

鋰離子電池由于具有能量密度高、自放電率小、循環(huán)壽命長、重量輕等優(yōu)點，逐漸成為動力電池的主流，但動力鋰電池工作電壓一般在3.2V左右，而在電動汽車等動力設(shè)備上使用時，電壓要求在48V～72V之間，因此需要將多節(jié)鋰電池串聯(lián)組成電池組使用。但鋰電池對充放電要求很高，當(dāng)鋰電池串聯(lián)使用于動力設(shè)備中時，由于各單節(jié)鋰電池間內(nèi)部特性的不一致，會導(dǎo)致各節(jié)鋰電池充放電的不一致，一節(jié)性能惡化時，整個電池組的特性都會受到限制，因此需要對串聯(lián)的電池進(jìn)行均衡，保證在充放電過程中各單節(jié)電池的特性盡量保持一致，延長電池組使用壽命。目前鋰電池組均衡保護(hù)電路主要有電阻均衡、電容均衡和電感均衡等。電阻均衡屬于耗能式均衡，其均衡電流小，耗能高。電感式均衡電路比較復(fù)雜，成本也高。本文提出一種改進(jìn)的開關(guān)電容法均衡電路，簡化了原有的開關(guān)電容法均衡電路，并可有效提高均衡效率。

1 系統(tǒng)概述

1.1 車用鋰電池組

本文論述的動力鋰電池組用于環(huán)衛(wèi)車動力系統(tǒng)，采用32只標(biāo)稱電壓3.2V，標(biāo)稱容量20AH磷酸鉄鋰電池串并聯(lián)組合作為動力源。應(yīng)用時，將性能接近的32只磷酸鉄鋰電池配容，2節(jié)電池并聯(lián)為1小組，16個電池小組串聯(lián)成整個動力電池組，這樣電池組的額定總?cè)萘繛?1.2V，40AH的動力系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 串-并聯(lián)鋰電池組

1.2 鋰電池組管理系統(tǒng)

鋰動力電池管理系統(tǒng)功能包括：16個單體電池小組的電壓、總電壓、充放電電流和電池內(nèi)溫度檢測與監(jiān)視，以及電池組在充放電過程中的均衡。本文重點討論的是電池組在充放電過程中的均衡。由于電池的開路電壓和其SOC（荷電狀態(tài)）有一定的對應(yīng)關(guān)系，可以通過均衡開路電壓來均衡鋰電池的SOC。

目前均衡電路所采用的開關(guān)電容法是在每兩個相鄰的單體電池之間通過開關(guān)器件與一個電容并聯(lián)，這樣將能量從第1節(jié)電池傳遞到第n節(jié)電池需要經(jīng)過n次能量轉(zhuǎn)移才能完成，這就限制了開關(guān)電容法的均衡速度。為此本文提出一種改進(jìn)的開關(guān)電容電路，將電容C通過開關(guān)和單體電池并接，均衡電容可以從擁有最高電量的電池單元充電，然后將電量傳遞給最低電量的電池單元，這樣可以顯著減少電池組達(dá)到均衡的時間，尤其是當(dāng)最高電量電池單元與最低電量電池單元位于電池組的兩端時。其電路原理框圖如圖2所示。

圖2 改進(jìn)的開關(guān)電容均衡電路框圖

圖2中，使用MOS管作為開關(guān)器件，控制充放電電容和電池組中各單體電池的連接。在電池充放電過程中需要對電池組的單體電池均衡時，STM32控制器通過IO口控制驅(qū)動電路驅(qū)動MOS管，采用巡檢的方式，將每節(jié)單體電池分時和電容接通C，檢測各單體電池電壓。STM32處理器根據(jù)檢測電壓值，從而制定均衡策略。工作過程如下：STM32控制器首先控制單體電池B1和電容C接通，對電容充電。充電完成后，通過采樣電阻進(jìn)行對電容兩端電壓進(jìn)行采樣，得到B1的單體電池電壓，然后電池B2和電容C接通，采樣得到B2單體電池電壓，依此順序檢測到電池Bn結(jié)束。STM32處理器對采集的n個單體電池電壓進(jìn)行比較，得到電池電壓由高到低的一個排序V1，V2,…,Vn。STM32根據(jù)這個排序，進(jìn)行均衡。首先將電壓為V1的電池給電容C充電，充電完成后，電壓為V1的電池和電容C斷開，然后電容C接通電壓為Vn的電池，將電壓V1的電池能量傳遞到電壓Vn的電池，完成一次能量傳遞，依此重復(fù)多次，完成由電壓高的電能向電壓低的電池能量的傳遞。

2 均衡策略

2.1 均衡電容的選擇

均衡時要通過MOS管開關(guān)器件將均衡電容C并聯(lián)到對應(yīng)的某一單體電池上，設(shè)線路上的電阻忽略不計，MOS管內(nèi)阻為Rm，均衡等效電路如圖3所示。R1為電池小組等效內(nèi)阻，U1為電池在開關(guān)閉合前的初始電壓；C代表均衡電容器容量，R2為其等效內(nèi)阻，U2為電容在開關(guān)閉合前的初始電壓；設(shè)U為開關(guān)閉合后電池和電容穩(wěn)定的電壓值。這里設(shè)定U1>U2，采用一階電路的三要素法可得到單體電池小組和均衡電容C兩端的電壓隨時間變化的函數(shù)。

圖3 均衡等效電路

電池電壓時間函數(shù)：

電容電壓時間函數(shù)：

則充放電電流為：

由上面的公式可以看出，電池能量轉(zhuǎn)移的速度與開關(guān)管內(nèi)阻、電池的內(nèi)阻、均衡電容內(nèi)阻及電容容量有關(guān)，對于已選定的鋰電池，其內(nèi)阻是已經(jīng)固定了，開關(guān)管內(nèi)阻選用合適的即可，那么可以通過選擇均衡電容器來提高均衡，由式（4）、式（5）可以看出，均衡電容的內(nèi)阻不僅影響充放電時間常數(shù)，而且影響電容變化的初始速度。從式（2）可以看出，內(nèi)阻越小，其衰減的時間常數(shù)也越小，初始速度越大，電壓變化速度的也越快。

根據(jù)以上分析，在選擇均衡電容時，應(yīng)選擇內(nèi)阻盡可能小的，這樣可以提高均衡的初始速度；對于容量的選擇，不能過大也不能太小。容量越大，由式（4）可知，電容充放電時間常數(shù)會增大，則均衡電容電壓變化速度越慢。由于均衡電容是將電壓高的電池部分電量轉(zhuǎn)移到電壓低的電池中，當(dāng)電壓高的單體電池小組釋放能量給均衡電容充電時，我們希望電壓增長速度越快越好。

2.2 均衡控制算法

整個電池均衡管理系統(tǒng)應(yīng)該包括數(shù)據(jù)采集，均衡控制和數(shù)據(jù)通信等，本文只針對均衡控制算法進(jìn)行論述。當(dāng)電池處于充放電狀態(tài)時，控制流程圖如圖4所示。

圖4 均衡控制算法流程圖

電池組處于充放電狀態(tài)時，均衡控制算法流程圖如圖5所示，m是鋰電池組中當(dāng)前電壓最高的單體電池B(m)，n是鋰電池組中當(dāng)前電壓最低的單體電池B(n),Ton是單體電池B(m)或B(n)并聯(lián)接通的時間，τ為接通時的充放電時間常數(shù)，其值為圖4中等效電阻和均衡電容容量C的乘積，即τ=(R1+R2+Rm)×C，ΔV為設(shè)定的均衡結(jié)束時允許的單體電池間的最大電壓差，Vm為單體電池B(m)的電壓值，Vn為單體電池B(n)的電壓值。

在充放電時，均衡控制算法首先通過巡檢各單體電池，找出電池組中電壓最高和電壓最低的單體電池的編號，并求出兩節(jié)單體電池的平均電壓Va。首先將均衡電容并聯(lián)到電壓最高的單體電池B(m)上，吸收電能，然后斷開均衡電容C和電池B(m)，將電容C和電壓最低的單體電池B(n)并聯(lián)為其充電。由電容充放電特性曲線可以知道，在其充電常數(shù)的1/3時間之前電容充電速度最快，而后充電速度變慢，為了保證均衡速度，均衡電容無論是與電壓高的還是電壓低的單體電池并聯(lián)，都不是直到兩電池電壓接近時才斷開，而是設(shè)定接通時間為充放電時間常數(shù)的1/3時就斷開。均衡電容一次充放電之后，再次采集均衡的兩節(jié)單體電池電壓，并求出電壓差，如果得到的電壓差大于設(shè)定的電壓差ΔV，則均衡電容依然在之前的兩節(jié)單體電池間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，否則重新巡檢電池組中各單體電池，找出新的電壓最高和最低的單體電池編號，重復(fù)上面的步驟進(jìn)行均衡即可實現(xiàn)電池組中各單體電池的均衡。

3 實驗結(jié)果

測試中將32節(jié)單體鋰電池兩兩并聯(lián)，再進(jìn)行串聯(lián)，組成51.2V/40Ah的鋰電池組。單體鋰電池參數(shù)為：標(biāo)稱電壓3.2V，標(biāo)稱容量20Ah，充電截止電壓3.65V，放電截止電壓2.0V，標(biāo)準(zhǔn)恒流充電0.3C，最大持續(xù)充電電流1.0C，最大放電電流3.0C。為了驗證均衡效果，在實驗前對各單體鋰電池進(jìn)行了處理，選擇不同內(nèi)阻和不同初始電壓的電池組成電池組。并且在相同的條件下進(jìn)行了電池組不帶均衡的充放電實驗，以便進(jìn)行對比。

在充電階段，先將鋰電池組0.3C恒流充電至58.4V，然后轉(zhuǎn)為恒壓充電，當(dāng)充電電流降到0.02C時充電結(jié)束。在放電階段，直接使用環(huán)衛(wèi)車的500W的直流電機作為負(fù)載進(jìn)行放電。為保護(hù)個單體電池不被損壞，各單體電池均有過充和過放保護(hù)。在沒有均衡和有均衡兩種情況下分別進(jìn)行充放電實驗，充放電時每隔20分鐘測量一次單體電池電壓。圖5和圖6分別是采集了電池組中的的8節(jié)單體電池的不同時間的電壓值繪制的曲線圖，圖5為沒有加入均衡電路電池組充放電時各單體電池情況，圖6為加入均衡電路后電池組充放電時各單體電池情況。

圖5 沒有加入均衡電路的單體電池電壓變化曲線

圖6 加入均衡電路的單體電池電壓變化曲線

從圖5可以看出，沒有加入均衡電路的電池組在充電過程中，個別電壓高的或者容量小的電池較快達(dá)到充電截止電壓，出于對單體電池的保護(hù)，充電截止，此時有些電池卻還未充滿，使得整個電池組儲能減少。同樣，在放電過程中，個別容量低的電池較快的達(dá)到了放電截止電壓，出于對單體電池的保護(hù)，放電截止，使得其他電池能量沒有得到充分利用。電池組加入均衡電路后，如圖6，充電階段不同狀態(tài)的電池隨著充電的進(jìn)行，各單體電池電壓趨于相同，基本同時達(dá)到充電截止電壓，電池儲能增加；在放電階段，各單體電池電壓同步下降，基本同時達(dá)到放電截止電壓，各電池能量得到充分利用。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的動力鋰電池均衡電路，從實驗結(jié)果來看，在電池的充放電過程中，能夠?qū)⒛芰繌母唠妷旱膯误w電池轉(zhuǎn)移到低電壓的單體電池中，使各單體電池電壓趨于一致，達(dá)到了均衡的效果。但從數(shù)據(jù)分析看，均衡后各單體電池電壓差還有一定幅度，均衡效果還有進(jìn)一步提升空間。另外，盡管電池電壓基本能夠反映電池的儲能情況，但它們在整個充放電過程并不是完整的線性關(guān)系，因此均衡系統(tǒng)還要進(jìn)一步的完善，能夠達(dá)到較理想的均衡效果。

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