純電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組均衡充電技術(shù)研究

郭碧寶 朱里平 王梓帆

廣州市交通高級(jí)技工學(xué)校 廣東省廣州市 510540

電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池組由多個(gè)單體電池串并聯(lián)而成，工作過(guò)程中，單體電池初期細(xì)微的差異在每次充放電的作用下會(huì)不斷被放大，經(jīng)過(guò)多次充放電循環(huán)后，單體電池的不一致性會(huì)逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致電池組容量利用率的降低和循環(huán)壽命的縮短。因此，保證動(dòng)力電池組內(nèi)各單體電池的一致性是提高電動(dòng)汽車(chē)性能、增加續(xù)駛里程的關(guān)鍵。均衡充電作為解決單體電池不一致的關(guān)鍵技術(shù)，其通過(guò)均衡模塊，對(duì)性能不一致的單體電池進(jìn)行差異化充電，最終實(shí)現(xiàn)各單體電池間的電壓、容量等狀態(tài)的均衡。本文分析了單體電池性能不一致在循環(huán)充放電過(guò)程中對(duì)動(dòng)力電池組壽命衰減速度的影響機(jī)理，研究了串聯(lián)電池組耗散型均衡充電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及電路模型，并推導(dǎo)了各單體電池的均衡電流、充電電流與電池組充電電流的關(guān)系，以此設(shè)計(jì)了串聯(lián)電池組耗散型均衡充電控制系統(tǒng)的控制策略。

1 單體電池不一致性原理

電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組為了滿足容量、電壓等級(jí)的要求，其成組方式包括：先串聯(lián)后并聯(lián)以及先并聯(lián)后串聯(lián)，后者如圖1所示。

然而，電池生產(chǎn)過(guò)程中，由于材料和工藝上存在不一致，使得單體電池間會(huì)存在初期差異。由圖1可知，假設(shè)單體K在電池包1中的容量最小，在放電后期，單體K會(huì)首先達(dá)到

其放電截止電壓，當(dāng)電池包1深度放電時(shí)，單體K很容易處于過(guò)放電狀態(tài)，這就會(huì)加快單體K的衰減速度。隨著充放電循環(huán)的進(jìn)行，單體K與其它單體間的不一致性會(huì)逐漸增大，單體K的容量損失會(huì)提前達(dá)到額定容量的20%，由此加速整個(gè)電池組的衰減速度并導(dǎo)致其提前失效。

2 均衡充電控制系統(tǒng)分析

2.1 均衡充電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的動(dòng)力電池組充電方式包括兩部分，首先采用恒流充電，當(dāng)達(dá)到截止電壓后采用恒壓充電，最后，采用均衡充電，其中，常用均衡充電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，該系統(tǒng)由充電機(jī)、單體電池管理模塊、單體電池和單體電池均衡充電控制模塊構(gòu)成。

在均衡充電過(guò)程中，系統(tǒng)根據(jù)電池組不同的充電狀態(tài)，由充電機(jī)向均衡充電控制系統(tǒng)輸出電流 ；由各均衡充電控制模塊監(jiān)測(cè)各單體電池的電壓、電流等狀態(tài)，并將各單體的工作狀態(tài)反饋給充電機(jī)，依次調(diào)節(jié)充電機(jī)的充電狀態(tài)及輸出電流；同時(shí)，均衡充電控制模塊通過(guò)相應(yīng)的控制策略調(diào)節(jié)各單體的充電電流使所有單體均衡地進(jìn)行充電。常見(jiàn)的均衡充電電路有耗散型和非耗散型電路，其中，耗散型均衡電路具有簡(jiǎn)單可靠的優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)中，如圖3所示。

由圖3可知，在第j個(gè)單體電池充電過(guò)程中，通過(guò)控制均衡開(kāi)關(guān)Sj（j=1，2…，n）的開(kāi)閉時(shí)間，可獨(dú)立調(diào)節(jié)該單體的充電電流，其中，Sj通常采用功率MOSFET管，其電阻可忽略，則該單體的充電電流可表示為

圖2 均衡充電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 串聯(lián)電池組耗散型均衡充電電路

由公式（1）可知，針對(duì)不同狀態(tài)，通過(guò)PWM調(diào)節(jié)Sj的開(kāi)閉合時(shí)間占比，可實(shí)現(xiàn)各單體電池的區(qū)別性充電，保證各單體電池狀態(tài)的均衡，從而消除充電過(guò)程中單體電池不一致性對(duì)電池組性能的影響。

2.2 均衡充電控制系統(tǒng)模型分析

對(duì)于圖3所示的耗散型均衡控制電路，其第j個(gè)單體電池的均衡充電等效模型、串聯(lián)電池均衡充電模型分別如圖4（a）、4（b）所示，其中，Zj為第j個(gè)單體電池的特性函數(shù)，Ej為其均衡控制函數(shù)。

圖4 單體電池及電池組均衡電路等效模型

由圖4（a）所示，第j個(gè)單體電池的輸出電壓可表示為

由圖4（b）所示，在串聯(lián)電池組的充電過(guò)程中，ij≤I′始終成立，該電池組均衡充電控制函數(shù)可表示為

3 均衡充電控制系統(tǒng)的控制策略

由圖2可知，均衡充電系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)各單體電池的電壓和充放電電流，計(jì)算其剩余容量，確定各單體的狀態(tài)進(jìn)而調(diào)節(jié)其充電電流至最佳值，使所有單體電池的電壓、容量等參數(shù)達(dá)到一致。對(duì)于各均衡充電模塊，均衡開(kāi)關(guān)由脈寬調(diào)制信號(hào)控制，其占空比 可表示為

式中，U1，U2分別為均衡充電控制閾值的上限、下限。

由公式（1）可知，第j個(gè)單體電池的充電電流可表示為

在串聯(lián)電池組中，由于均衡充電系統(tǒng)的均衡作用，通過(guò)均衡控制策略，使得各單體電池的充電電流不盡相同，可以使電池組的單體電池差異保持在合理范圍內(nèi)。

4 均衡充電系統(tǒng)充電實(shí)驗(yàn)及其結(jié)果

基于以上對(duì)耗散型均衡充電控制系統(tǒng)的分析及控制策略的設(shè)計(jì)，本文采用4個(gè)同批次的10Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行了均衡充電實(shí)驗(yàn)，恒流充電電流為0.5C，均衡電流取值為0.02C，其均衡充電曲線如圖5所示，實(shí)驗(yàn)溫度為25℃。

由圖5可知，均衡充電控制系統(tǒng)對(duì)未達(dá)到截止電壓的實(shí)驗(yàn)電池進(jìn)行了均衡充電，其中，電池1、電池2、電池3、電池4分別均衡充電了139.8min、139.7min、146.1min、141.7min，驗(yàn)證了該均衡充電控制系統(tǒng)的可行性。

圖5 單體電池均衡充電電壓曲線

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了單體電池性能不一致性在循環(huán)充放電過(guò)程中對(duì)電池組衰減速度的影響機(jī)理，分析了串聯(lián)電池組耗散型均衡充電控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其等效電路模型，設(shè)計(jì)了串聯(lián)電池組耗散型均衡充電控制系統(tǒng)的控制策略。并在均衡充電控制系統(tǒng)的分析及設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)10Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池進(jìn)行了均衡充電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該均衡充電控制系統(tǒng)的可行性。