鋰離子電池組充電均衡電路及其均衡策略研究

韓峻峰， 龍宇舟， 郭毅鋒， 潘盛輝， 楊 超

(1.欽州學院物理與電子工程學院，廣西欽州535000；2.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

鋰離子電池組充電均衡電路及其均衡策略研究

韓峻峰1,2， 龍宇舟2， 郭毅鋒2， 潘盛輝2， 楊 超2

(1.欽州學院物理與電子工程學院，廣西欽州535000；2.廣西科技大學電氣與信息工程學院，廣西柳州545006)

為解決電池組充電不均衡問題，研究了電感對稱式均衡電路，根據(jù)鋰離子電池充電端電壓變化特性，制定了分階段組合式的均衡控制策略，并在此基礎上制作了鋰離子電池組充電均衡控制系統(tǒng)，成功地將電池組充電結束后端電壓差距控制在30 mV之內(nèi)，消除了電池組充電不均衡現(xiàn)象。

電池組；均衡電路；能量轉(zhuǎn)移；均衡策略

在電動汽車中，大量鋰離子電池單體串聯(lián)成組為電動汽車提供需要的電壓與功率。隨著電池使用次數(shù)的增加，各個電池單體之間性能差異越來越明顯，電池單體之間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，電池組供電能力下降。

為了解決這一問題，本文對充電均衡電路及其均衡策略展開了研究，設計了分階段組合式的均衡控制策略，制作了電池組充電均衡控制系統(tǒng)，進行了充電均衡實驗，檢驗了電池組充電均衡控制系統(tǒng)的均衡效果。

1 電池組均衡電路

電池組中各個電池單體荷電狀態(tài)相等，則認定電池單體之間實現(xiàn)了均衡[1]。電池荷電狀態(tài)與電池端電壓存在一定比例關系，因此可以通過測量電池端電壓來反映電池荷電狀態(tài)的情況，從而判斷電池單體之間均衡情況。

本文選用了電感對稱式均衡電路在充電過程中對鋰離子電池組進行均衡控制[2－4]，如圖1所示。該均衡電路中，每一塊電池配備一個均衡模塊，每一個均衡模塊由一個儲能電感、一個功率開關管MOSFET、一個肖特基二極管組成，其中儲能電感儲存均衡過程中轉(zhuǎn)移的多余能量，功率開關管MOSFET控制均衡模塊通斷，肖特基二級管控制均衡模塊電流流動。在充電過程中，端電壓高的電池單體將多余的能量通過均衡模塊轉(zhuǎn)移至其它電池單體中。

圖1 電感對稱式均衡電路

在均衡電路中，電池組上下對稱分成了兩部分，上下兩部分的均衡模塊又成左右對稱。均衡控制過程中，上部分的電池向下轉(zhuǎn)移多余的能量，下部分的電池向上轉(zhuǎn)移多余的能量，完成電池均衡控制。

該均衡電路具備結構簡單、擴展性好、易控制、成本低等優(yōu)點，十分適用于電動汽車多數(shù)量電池單體串聯(lián)成組的充電均衡管理。

2 電池組均衡策略

均衡電路必須結合相應的均衡策略才能對電池組進行有效的均衡控制，從而減小電池單體之間的性能差異、消除不均衡現(xiàn)象，實現(xiàn)電池組均衡管理[5－6]。

本文根據(jù)電動汽車鋰離子電池充電過程端電壓變化特性，提出了分階段組合式的均衡控制策略，結合選用的電感對稱式均衡電路對電池組充電過程進行均衡管理。

以博瑞特公司生產(chǎn)的額定電壓為3.2 V、額定容量為10 Ah的磷酸鐵鋰電池作為控制對象，其充電過程中端電壓與電池剩余容量(SOC)變化特性如圖2所示。

圖2 磷酸鐵鋰電池充電端電壓變化特性

電池充電結束至長時間靜置后，由于電池端電壓的回彈特性[7]，電池端電壓會出現(xiàn)新的細微變化，如圖3所示。

圖3 磷酸鐵鋰電池端電壓回彈情況

從圖2、圖3可知，鋰離子電池端電壓從電壓下限值上升至額定電壓段，端電壓變化劇烈；額定電壓上升至電壓上限值段，端電壓變化平緩；停止充電至長時間靜置后，端電壓略微下降。

為了不增加過多充電時間進行均衡控制，同時又實現(xiàn)良好的均衡控制效果，本文設計了兩段式均衡控制策略：(1)快速均衡階段；(2)均衡修正階段。

2.1 快速均衡階段

由磷酸鐵鋰電池充電端電壓變化特性可知，在電壓下限值至額定電壓段，電壓上升速度快，電壓值大幅上升，因此在該階段電池單體端電壓容易出現(xiàn)幅值較大的不均衡現(xiàn)象，若在該階段設置一個較小的均衡差值進行均衡控制，則均衡電路將頻繁開啟；在額定電壓至電壓上限值段，電壓上升速度相對緩慢，電壓值逐漸上升，因此在該階段電池單體端電壓容易出現(xiàn)幅值較小的不均衡現(xiàn)象，若在該階段設置一個較大的均衡差值進行均衡控制，則均衡電路將很少開啟，甚至不開啟。為了不增加過多均衡時間，同時取得良好均衡效果，本文將電池端電壓劃分為兩個階段：初始值至額定電壓階段、額定電壓至電壓上限值階段，分別對這兩個階段設置兩個不同的端電壓差值進行均衡控制。

初始值至額定電壓階段，端電壓變化劇烈，各個電池單體端電壓差異大，設定一個較大的端電壓差值進行均衡控制，可以確保不消耗過多充電時間情況下，初步減小電池單體端電壓差距，實現(xiàn)電池的初步均衡。

額定電壓至電壓上限值階段，端電壓變化平緩，各個電池單體端電壓差異較小，若繼續(xù)使用較大端電壓差值進行均衡控制，則均衡模塊將較少開啟，導致均衡效果欠佳。因此在該階段選用一個較小的端電壓差值進行均衡控制，可以進一步減小電池單體端電壓差距，實現(xiàn)電池的進一步均衡。

快速均衡階段的均衡控制策略如圖4所示。

圖4 快速均衡階段均衡控制策略

2.2 均衡修正階段

經(jīng)過快速均衡階段，鋰離子電池端電壓充電至電壓上限值，電池停止充電進入靜置狀態(tài)。經(jīng)過長時間靜置后，由于電池端電壓回彈特性，電池端電壓將出現(xiàn)新的變化，很可能導致原本均衡的電池端電壓出現(xiàn)新的不均衡現(xiàn)象。因此本文設計在充電停止后，引入均衡修正階段進行電池端電壓的修正，消除電池端電壓回彈特性帶來的不均衡現(xiàn)象。

因為均衡修正階段電池端電壓變化量不大，所以延續(xù)使用快速均衡階段額定電壓至電壓上限值階段的端電壓均衡差值(=30 mV)對電池進行均衡控制，直至電池單體端電壓差距控制在30 mV之內(nèi)，均衡修正階段完成，同時整個電池組充電均衡控制過程也完成。

快速均衡階段與均衡修正階段共同構成了充電過程中的均衡管理，整個過程如圖5所示。

圖5 整個均衡控制過程

3 實驗結果與分析

本文利用電池端電壓采集系統(tǒng)、均衡電路驅(qū)動與控制系統(tǒng)，結合電感對稱式均衡電路及其均衡策略構成了電池組充電均衡控制系統(tǒng)，如圖6所示。應用該系統(tǒng)進行電池組充電均衡控制實驗，檢驗均衡效果。

圖6 電池組充電均衡控制系統(tǒng)

3.1 實驗結果與分析(一)

分別對50次不帶均衡控制系統(tǒng)的充電實驗與50次帶有均衡控制系統(tǒng)的充電實驗隨機抽取4組實驗結果，然后將結果進行繪圖，如圖7所示。

圖7 不帶均衡控制系統(tǒng)4個電池單體端電壓與差值

圖8 帶有均衡控制系統(tǒng)快速均衡階段4個電池單體端電壓與差值

將不帶均衡控制系統(tǒng)充電結果圖7與帶有均衡控制系統(tǒng)快速均衡階段充電結果圖8對比，可見本文設計的充電均衡控制系統(tǒng)使充電過程中4個電池單體端電壓差距縮小，電壓差值變化幅度減小。

通過均衡修正階段結果圖9可見，快速均衡階段結束后經(jīng)過均衡修正，4個電池單體電壓差距得到了進一步的縮小，電壓差值控制在30 mV之內(nèi)，4個電池單體達到了均衡控制策略的最終要求，體現(xiàn)了充電均衡控制系統(tǒng)的良好均衡效果。

圖9 均衡修正階段4個電池單體端電壓與差值

3.2 實驗結果與分析(二)

從記錄的50次不帶均衡控制系統(tǒng)的充電實驗與50次帶有均衡控制系統(tǒng)的充電實驗結果中分別計算初始值～額定電壓、額定電壓～充電電壓上限值兩階段的電池單體端電壓差值的平均值，再求得兩階段端電壓差值平均值的差值，檢驗充電均衡控制系統(tǒng)是否減小了端電壓差值，分析結果如表1所示。

表1 充電階段端電壓差值平均值

通過表1可見帶有均衡控制系統(tǒng)充電的電池端電壓差值減少量明顯高于不帶均衡控制系統(tǒng)充電的電池端電壓差值減少量，體現(xiàn)了充電均衡控制系統(tǒng)良好的均衡效果。

3.3 實驗結果與分析(三)

從記錄的50次不帶均衡控制系統(tǒng)的充電實驗與50次帶有均衡控制系統(tǒng)的充電實驗結果中，統(tǒng)計每一次不帶均衡控制系統(tǒng)充電實驗與帶有均衡控制系統(tǒng)充電實驗的端電壓差值＜100 mV、＜90 mV、＜80 mV、＜70 mV、＜60 mV、＜50 mV、＜40 mV、＜30 mV、＜20 mV、＜10 mV的個數(shù)。然后計算每一次每個范圍端電壓差值個數(shù)占該次整個充電實驗采樣個數(shù)的百分比。接著計算50次實驗每個范圍端電壓差值的平均百分比。最后將帶有均衡控制系統(tǒng)每個范圍的端電壓差值平均百分比減去不帶均衡控制系統(tǒng)充電實驗每個范圍的端電壓差值平均百分比，求得兩者的差值。結果如表2所示。

每個端電壓差值范圍的平均百分比，表示了相應充電實驗該端電壓差值范圍占統(tǒng)計的所有采樣點的平均比重，例如帶有均衡控制充電端電壓差值＜100 mV的平均百分比為76.59%，若該實驗采樣點有100個，則有近77個采樣點端電壓差值小于100 mV。

電池單體較小端電壓差值的平均百分比越大，則說明均衡效果越好。通過表2可見，帶有均衡控制系統(tǒng)充電每個端電壓差值范圍的平均百分比都比不帶均衡控制系統(tǒng)充電的端電壓差值平均百分比要高，則說明在均衡控制系統(tǒng)充電下，電池單體端電壓差值得到有效減小，展示了電池組充電均衡控制系統(tǒng)良好的均衡效果。

表2 端電壓差值平均百分比分布情況

4 結論

本文為解決電池組充電過程電池單體不均衡問題，對電池組充電均衡電路及其均衡策略展開了研究，設計了以電池端電壓為控制對象、以電感對稱式均衡電路與分階段組合式均衡控制策略為基礎的電池組充電均衡控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備結構簡單、易擴展、易控制、成本低等優(yōu)點。通過大量充電均衡實驗，檢驗了該系統(tǒng)良好的均衡效果，為解決電池組充電不均衡問題提供了技術支持。

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圖4 離子電導率與溫度的關系曲線圖

采用恒電流間歇滴定技術(GITT)對固態(tài)電解質(zhì)膜在各種脫嵌狀態(tài)下的鋰離子擴散系數(shù)進行了測定，結果如圖5。從圖5知，在3.60、3.95、4.18 V時，固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解液組成的鋰離子電池的鋰離子擴散系數(shù)分別為 4.65×10－10、0.38×10－10、0.53×10－10和 5.80×10－10、0.57×10－10、0.70× 10－10cm2·s－1。雖然所制備的固態(tài)電解質(zhì)電池的離子擴散系數(shù)與液態(tài)電解液電池相比在各種狀態(tài)下離子擴散系數(shù)都稍低，但基本還處于一個數(shù)量級上；還可看出，在接近全脫和全嵌入態(tài)時差異大些，處于中間脫嵌狀態(tài)時，這種差別較小。測試結果還表明，在不同的嵌脫電位下，鋰離子的擴散性能存在差異。

圖5 固態(tài)電解質(zhì)LGPS和LSiGPS的離子擴散系數(shù)

3 結論

LSiGPS具有四方結構；在－40、25、50℃等較寬廣的溫度范圍內(nèi)，這種固態(tài)電解質(zhì)離子電導率(7.13×10－4、6.57×10－3、2.21×10－2S·cm－1)和液態(tài)電解液有相近似的離子電導率(8.03×10－4、6.72×10－3、2.55×10－2S·cm－1)；在鋰離子電池的電化學窗口內(nèi)，固態(tài)電解質(zhì)組成的鋰離子電池的鋰離子擴散系數(shù)(4.65×10－10、0.38×10－10、0.53×10－10)和液態(tài)電解液組成的鋰離子電池的離子擴散系數(shù) (5.80×10－10、0.57×10－10、0.70×10－10cm2·s－1)基本處于一個數(shù)量級；LSiGPS固態(tài)電解質(zhì)具有和通用聚烯烴膜相近似的充放電性。

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Research of charging equalization circuit and equilibrium strategy for Li-ion battery series

In order to solve the problem of charging disequilibrium for battery series, the symmetric inductance equalization circuit was studied.The equilibrium strategy in different stages was made by the charging rules of the terminal voltage for Li-ion battery series.Then the charging equalization control system for Li-ion battery series was done based on this.As a result,the disparity of the terminal voltage of the charging equalizationg control system was successfully commanded within 30 mV,and the charging disequilibrium phenomenon was removed as well.

battery series;equalization circuit;energy transfer;equilibrium strategy

TM912

A

1002-087X(2016)12-2439-05

2016-05-21

國家自然科學基金項目（51407038）；廣西自然科學基金項目（2013GXNSFBA019241）；廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室建設項目課題（14-A-02-03）；廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室開放課題（2013KFMS02）

韓峻峰（1967—），男，河北省人，博士，教授，主要研究方向為智能控制、高職教育。