基于電池模組重構(gòu)的均衡充電控制方法

孫金磊，鄒 鑫，崔 凱，朱金大

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司(南瑞集團(tuán)有限公司)，江蘇南京 211106)

鋰離子電池以其高功率密度、高能量密度和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站和移動(dòng)電子設(shè)備。可是電池成組使用后，單體一致性和老化都對(duì)電池組的能量利用效率產(chǎn)生了極大的影響，個(gè)別單體的故障或性能衰退會(huì)引發(fā)電池組的安全隱患[1]。因此，固定連接拓?fù)潆姵亟M的電量一致性只能通過均衡的方式調(diào)整電池組電量，但對(duì)于個(gè)別單體的非正常老化甚至故障仍無能為力[2]?？芍貥?gòu)電池網(wǎng)絡(luò)則能夠克服固定連接拓?fù)潆姵亟M在這方面的缺陷，通過拓?fù)涞淖兓瘜?shí)現(xiàn)電量不均衡電池組均衡的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電池組滿充的目標(biāo)，避免由單體故障導(dǎo)致的電池組安全問題[3]。

為了實(shí)現(xiàn)電池組可重構(gòu)的目的，從而延長(zhǎng)電池組使用壽命、降低電池組故障率，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]針對(duì)m串n并電池組構(gòu)建了重構(gòu)電池系統(tǒng)，在充放電過程中可以旁路達(dá)到充放電截止電壓的電池而不影響其他電池的充放電進(jìn)程。開關(guān)旁路型電池與其他可重構(gòu)電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，它的突出優(yōu)點(diǎn)是大大減少了開關(guān)數(shù)量。文獻(xiàn)[5]提出一種基于DC-DC 變換器的電池組重構(gòu)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電池不再直接串聯(lián)，而是每一個(gè)電池單體都連接到一個(gè)DCDC 變換器的輸入端，DC-DC 變換器的輸出端構(gòu)成串聯(lián)電路。由DC-DC 變換器構(gòu)成的串聯(lián)電路直接給負(fù)載供電。通過改變DC-DC 變換器的控制信號(hào)可以改變輸出電壓，解決當(dāng)幾節(jié)電池旁路后工作電壓降低的問題。對(duì)于電池組均衡策略，目前相關(guān)研究大多集中在以單體端電壓一致為目標(biāo)的電壓均衡和以電池荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)一致為目標(biāo)的SOC均衡[6]。通過對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的梳理發(fā)現(xiàn)，大部分相關(guān)研究集中在可重構(gòu)系統(tǒng)的構(gòu)建，少數(shù)研究關(guān)注重構(gòu)給電池組性能帶來的提升及性能優(yōu)化。

本文以可重構(gòu)電池組的構(gòu)建，以及在充電過程中實(shí)現(xiàn)均衡控制為目標(biāo)，構(gòu)建基于光電MOS 隔離驅(qū)動(dòng)的電池重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)任意單體組合的電池組構(gòu)建。在此電路拓?fù)浠A(chǔ)上開發(fā)電池電壓、電流檢測(cè)系統(tǒng)，配合實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)系統(tǒng)的電池管理。以SOC一致作為聚類分組的依據(jù)，并按分組電量從小到大的順序依次接入電池組進(jìn)行充電，最終采用模組實(shí)驗(yàn)的方式驗(yàn)證可重構(gòu)電池組的電量均衡效果，證明了所提出方法的有效性。

1 可重構(gòu)電池組硬件設(shè)計(jì)

可重構(gòu)電池組主要由重構(gòu)電路和采集電路兩部分構(gòu)成。

1.1 電池重構(gòu)電路

為了在實(shí)現(xiàn)電池串聯(lián)重構(gòu)功能的同時(shí)盡量減少開關(guān)數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，重構(gòu)電路采用開關(guān)旁路型重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 電池旁路型可重構(gòu)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 中，在該拓?fù)渲忻抗?jié)單體電池連接2 個(gè)開關(guān)，通過開關(guān)旁路的方法將失效電池旁路而不影響其他電池充放電。當(dāng)電池C2 需要旁路時(shí)，先斷開與電池串聯(lián)的開關(guān)，再閉合與電池并聯(lián)的開關(guān)，整個(gè)電池組仍能正常工作。在系統(tǒng)工作時(shí)，重構(gòu)電路利用光電MOS 實(shí)現(xiàn)開關(guān)的開閉狀態(tài)切換，實(shí)現(xiàn)電池模組的重構(gòu)。

1.2 電池狀態(tài)采集電路

為了便于為重構(gòu)策略提供依據(jù)判斷，必須對(duì)電池組內(nèi)單體電壓和電池組電流進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的測(cè)量。在本系統(tǒng)中，電池單體電壓和電流均通過單片機(jī)的ADC 功能進(jìn)行采集。在電池模組重構(gòu)過程中，各個(gè)單體電池的電壓信號(hào)為彼此獨(dú)立且非共地的信號(hào)，采用AD620 差分運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓信號(hào)的采集，并將電壓信號(hào)經(jīng)過縮小處理后轉(zhuǎn)化為單片機(jī)可以識(shí)別的ADC 數(shù)值。電池電壓轉(zhuǎn)換電路如圖2 所示。

圖2 電池電壓轉(zhuǎn)換電路

電池模組充放電電流采用ACS712-5A 電流傳感器進(jìn)行檢測(cè)，將電流信號(hào)直接轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，并最終通過單片機(jī)ADC 進(jìn)行采集。

2 基于電池模組重構(gòu)的均衡充電控制策略

2.1 SOC 估計(jì)方法

本文采用SOC的估計(jì)結(jié)果作為充電過程中系統(tǒng)重構(gòu)的判斷依據(jù)。由于本文主要關(guān)注充電過程，其工況相對(duì)簡(jiǎn)單，采用開路電壓法和安時(shí)積分法相結(jié)合，其計(jì)算公式如式(1)所示。

式中：SOC0為初始狀態(tài)的SOC；CN為額定容量，這里假設(shè)不考慮老化的影響，電池容量固定；η 為充放電效率；I為充放電電流?？梢钥闯?，電池SOC的增減與充放電電流的時(shí)間積分有關(guān)，其中η 表示庫侖效率近似為1。對(duì)于SOC0初始狀態(tài)的獲取，主要利用開路電壓在長(zhǎng)時(shí)間靜置后與SOC的非線性對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線獲得[7]。

通過這種方法可以在充電過程中獲取每一個(gè)單體的實(shí)時(shí)SOC狀態(tài)，并根據(jù)該狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)。

2.2 均衡充電的重構(gòu)過程

本文在假設(shè)電池組內(nèi)單體容量相同的前提下，根據(jù)電池組內(nèi)單體電量進(jìn)行聚類分組。先對(duì)電量整體最小的一組進(jìn)行充電，當(dāng)該組電量達(dá)到另一組電量水平時(shí)，重構(gòu)系統(tǒng)通過開關(guān)切換使兩個(gè)組電池構(gòu)成新的電池組，并一起充電。當(dāng)整體電量達(dá)到另外一組的電量時(shí)再啟動(dòng)電池組重構(gòu)，使新的一組電池加入充電序列。以聚類成3 個(gè)組進(jìn)行充電為例，其示意圖如圖3 所示。

圖3 基于SOC的電池充電均衡過程

在T1 時(shí)刻，根據(jù)分組首先對(duì)SOC較低的組進(jìn)行充電，即對(duì)Group1 進(jìn)行充電。此時(shí)Group1 中C1、C2 所對(duì)應(yīng)的充電開關(guān)閉合，旁路開關(guān)斷開，進(jìn)入充電狀態(tài)，其他電池充電開關(guān)斷開，旁路開關(guān)閉合，進(jìn)入隔離狀態(tài)。電路重構(gòu)為以下狀態(tài)，如圖4 所示。

圖4 T1—T2時(shí)刻重構(gòu)電路

在T1—T2 時(shí)刻，Group1 的SOC隨著充電進(jìn)行而逐步提升，并且其數(shù)值大小逐漸接近Group2 中的SOC最小值。

當(dāng)Group1 中電池SOC與模組中Group2 足夠接近至滿足式(2)時(shí)，認(rèn)為Group1 與Group2 可重新分為一組。

其中N1為對(duì)兩組電池SOC一致性約束程度，這里取N1=3%，因?yàn)閷?duì)于SOC的估計(jì)存在一定誤差，所以兩組電池SOC差值在3%以內(nèi)是可以接受的。SOCGroup1和SOCGroup2可由電池組中各電池SOC取最小值計(jì)算得出，如式(3)所示。

式中：SOCGroup為該分組SOC的代表值；n為該分組中電池個(gè)數(shù)。

在T2—T3 時(shí)刻，Group1 與Group2 的SOC滿足約束條件，則準(zhǔn)備對(duì)這兩組電池同時(shí)充電，充電電路進(jìn)行重構(gòu)。電池C3、C4、C5 從隔離狀態(tài)進(jìn)入充電狀態(tài)。為防止電池發(fā)生短路，則電池對(duì)應(yīng)開關(guān)先全部斷開后再閉合充電開關(guān)，此時(shí)電路中沒有電流流過，各電池SOC不發(fā)生變化。

在T3—T4 時(shí)刻，電池開始對(duì)兩組電池進(jìn)行充電，其電路狀態(tài)如圖5 所示。在充電過程中對(duì)電池組SOC的估算由對(duì)兩組電池的SOC求平均值計(jì)算得出。

圖5 T3—T4時(shí)刻重構(gòu)電路

在T4—T5 時(shí)刻，Group1、Group2 與Group3 的SOC一致性程度滿足約束條件時(shí)，充電電路繼續(xù)開始重構(gòu)，準(zhǔn)備對(duì)三個(gè)分組進(jìn)行充電。

在T5—T6 時(shí)刻，對(duì)電池開始充電，其電路狀態(tài)如圖6。

圖6 T5—T6時(shí)刻充電重構(gòu)電路

在T6 時(shí)刻，根據(jù)電池端電壓和SOC，判定電池模組完成均衡充電，充電到此結(jié)束。

以上為采用本系統(tǒng)在充電過程中進(jìn)行系統(tǒng)重構(gòu)并最終實(shí)現(xiàn)電池組整體充滿的完整過程。在該實(shí)例中，根據(jù)電池SOC分布，對(duì)模組中電池進(jìn)行了分組梯次充電，達(dá)到了均衡的目的。

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 電池與設(shè)備

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的重構(gòu)均衡充電系統(tǒng)及均衡策略的有效性，搭建了電池實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。所采用的Neware CT-4008 5V20A 能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)置的步驟和電壓、電流閾值對(duì)電池進(jìn)行充電、放電操作，該設(shè)備電壓監(jiān)測(cè)范圍為0.025～5 V，采樣精度為±0.05%，電流設(shè)置范圍為0～20 A，采樣精度為±0.05%。電池測(cè)試機(jī)Arbin BT-ML60V50A 能夠?qū)Υ?lián)電池組進(jìn)行充電、放電操作，該設(shè)備電壓、電流范圍分別為2～60 V 以及0～50 A，精度為±0.2‰。

實(shí)驗(yàn)所用電池組由7 節(jié)電池單體組成，均為18650 三元鋰電池。電池質(zhì)量為48 g，容量2.2 Ah，額定電壓3.6 V，上限截止電壓4.2 V，下限截止電壓2.75 V，最大充電電流1C(2.2 A)，最大放電電流5C(11 A)。

3.2 均衡充電效果驗(yàn)證

將7 節(jié)電池單體串聯(lián)構(gòu)成電池組，預(yù)先測(cè)量得到電池單體長(zhǎng)時(shí)間靜置后的開路電壓，系統(tǒng)根據(jù)其測(cè)量的初始電壓對(duì)其SOC進(jìn)行估算，檢測(cè)及估算結(jié)果如表1 所示。

表1 電池狀態(tài)檢測(cè)結(jié)果

從表1 中數(shù)據(jù)可以看出，利用開路電壓法估計(jì)的初始SOC估計(jì)最大誤差在3%以內(nèi)。通過計(jì)算得到的各分組段充電時(shí)間如表2 所示。

表2 電池分組及充電時(shí)間計(jì)算

在電池分別通過重構(gòu)均衡充電和直接充電后，初始SOC與充電后SOC分布如圖7 所示。由圖7 可知，對(duì)于給定SOC分布的電池組，經(jīng)過重構(gòu)均衡充電后，電池組單體最大SOC偏差3%，未經(jīng)均衡操作的電池組充滿時(shí)最大和最小SOC差值達(dá)60%。因此，均衡充電對(duì)于提高電池組SOC分布一致性效果顯著。

圖7 有無重構(gòu)均衡的充電前后電池組電量比較

針對(duì)這兩種充電方法，直接進(jìn)行充電的充電時(shí)間為1 049 s，可用容量0.76 Ah，可用容量占比34.6%。而采用重構(gòu)均衡充電方式，充電時(shí)間5 079 s，可用容量1.98 Ah，可用容量占比90.5%，與傳統(tǒng)方法相比電池組可用容量占比提升55.9%。

為了進(jìn)一步證明本文所提出均衡充電方法的優(yōu)越性，將本文所用方法與現(xiàn)有均衡充電方法進(jìn)行比較。選取幾種典型的均衡拓?fù)渑c充電過程相結(jié)合，再與所提出基于重構(gòu)的均衡充電方法在均衡充電速度、能耗、成本和均衡靈活性等方面進(jìn)行比較。設(shè)置比較的參數(shù)數(shù)值為5 個(gè)等級(jí)，1 表示性能低，5 表示性能高。比較結(jié)果如表3 所示。

表3 N 節(jié)串聯(lián)電池組重構(gòu)均衡充電與其他均衡充電方法比較

通過橫向比較發(fā)現(xiàn)，所提出的基于重構(gòu)的均衡充電方法在充電過程中通過不斷重構(gòu)的方式在充電結(jié)束時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電量均衡，相比于傳統(tǒng)的均衡和充電兩步完成的方式節(jié)省了時(shí)間?？芍貥?gòu)系統(tǒng)的加入，雖然提升了一部分系統(tǒng)成本，但其可任意重構(gòu)的特性提升了系統(tǒng)的構(gòu)建靈活性。這種方案要求充電系統(tǒng)具有恒流調(diào)整能力，只需充電過程中補(bǔ)充能量，并沒有能量的轉(zhuǎn)移和消耗。因此，通過綜合評(píng)定結(jié)果可以看出本文所提出的基于重構(gòu)系統(tǒng)的均衡充電方法具有一定的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

本文針對(duì)串聯(lián)電池組電量不均衡時(shí)無法實(shí)現(xiàn)滿充的問題，提出了一種基于電池重構(gòu)的均衡充電控制方法，針對(duì)7 節(jié)電池串聯(lián)構(gòu)成的電池組，設(shè)計(jì)了電池重構(gòu)系統(tǒng)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)任意電池單體串聯(lián)組合，并在此基礎(chǔ)上以SOC為判據(jù)進(jìn)行聚類分組，然后根據(jù)電量整體從低到高的順序依次接入電池組并進(jìn)行充電，最終實(shí)現(xiàn)電量不均衡電池組整體同步充滿。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法與無重構(gòu)系統(tǒng)的充電方式相比，電池組可用容量提升達(dá)55.9%。