串聯(lián)電池組并行均衡管理研究與應(yīng)用

高萬(wàn)兵

(宇通客車股份有限公司， 鄭州 450000)

鋰電池已廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和電力儲(chǔ)能，為了達(dá)到車載電源等裝置的電壓、功率以及能量的需求，需要將多支鋰電池電芯通過(guò)串并聯(lián)方式組成電池系統(tǒng)[1]。實(shí)際使用過(guò)程中，即使是做過(guò)嚴(yán)格成組篩選的電池組，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間使用后，電量衰減速度也遠(yuǎn)比單體電池快，主要原因是電池組中電芯的一致性問(wèn)題[2]。目前行業(yè)內(nèi)主要采用由電池管理系統(tǒng)內(nèi)部均衡和由非電池管理系統(tǒng)外部均衡兩種方式解決。因成本和散熱問(wèn)題，電池管理系統(tǒng)內(nèi)部均衡電流有限，一般為100 mA左右，均衡速率較低，且不適用于大容量電池系統(tǒng)[3]；而外部均衡方式因均衡電流大，均衡速度快，受到業(yè)界普遍推崇。外部均衡策略主要有基于電池電壓和容量?jī)煞N方式：基于電壓的均衡策略，不需要復(fù)雜的計(jì)算，是常用的一種方法，但均衡策略受均衡線路壓降的影響，電池均衡的一致性難以保證；基于容量的均衡策略，需要對(duì)單體電池的SOC進(jìn)行估算，該方法依賴于高精度的SOC算法，計(jì)算難度大，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜[4]，在實(shí)際應(yīng)用中因電池一致性受內(nèi)阻、容量、自放電率等因素影響，實(shí)際的均衡效果也不理想[5-6]。

本文通過(guò)對(duì)串聯(lián)電池組最大可用容量進(jìn)行分析[7]，提出一種基于單體電池電壓的串聯(lián)電池組并行外部均衡方法(以下簡(jiǎn)稱“并行均衡”)。該方法應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)控制均衡電流，采用均衡線纜與采樣線纜分時(shí)復(fù)用技術(shù)，消除均衡線纜壓降對(duì)串聯(lián)電池組一致性的影響，確保串聯(lián)電池組均衡的一致性。

1 串聯(lián)電池組并行均衡管理

1.1 串聯(lián)電池組最大可用容量

以某電動(dòng)商用車為例，其電池系統(tǒng)使用192支單體容量為228 Ah、額定電壓為3.22 V的磷酸鐵鋰電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后組成618.24 V、228 Ah的串聯(lián)電池組，再由3個(gè)串聯(lián)電池組經(jīng)過(guò)并聯(lián)組成電量為422.876 kW·h的電池系統(tǒng)，每個(gè)單體電池電壓可通過(guò)電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集。本文討論其中串聯(lián)電池組的均衡技術(shù)。

容量和SOC不一致的串聯(lián)電池組中單體電池的容量表示為向量C=[C1,C2,C3,…,Cn]。SOC的向量表示為SOC=[SOC1,SOC2,SOC3,…,SOCn]。對(duì)組內(nèi)某個(gè)單體電池m來(lái)說(shuō)，充電容量Cc為[8]

Cc=Cm·(1-SOCm)

(1)

可放電容量Cd為

Cd=Cm·SOCm

(2)

無(wú)均衡電池組的最大可充電容量Cx為

Cx=min [C1·(1-SOC1),C2·(1-SOC2),
C3·(1-SOC3),…,Cn·(1-SOCn)]

(3)

同理，電池的最大可放電容量Cy為

Cy=min (C1·SOC1,C2·SOC2,
C3·SOC3,…,Cn·SOCn)

(4)

由此得出，電池組的最大可用容量Cp為[8]

Cp=Cx+Cy

(5)

Cp=min[C?(1-SOC)]+min(C?SOC)

(6)

式(6)中，?表示向量元素對(duì)應(yīng)相乘。

根據(jù)上述分析可知，在沒(méi)有均衡的電池組中，電池組的最大可用容量是由電池組內(nèi)充/放電能力最弱的單體電池決定。若充電能力最弱和放電能力最弱的不是同一個(gè)單體時(shí)，則電池組的最大可用容量將小于電池組內(nèi)任一單體電池的實(shí)際容量[8]。

如果能將串聯(lián)電池組中每一個(gè)電池單體均充滿或放空，如圖1所示，那么電池組的可用容量將只受容量最小的單體電池影響，串聯(lián)電池組的理論使用壽命近似等于電池組中短板電池的壽命，如圖2所示。

圖2 串聯(lián)電池組均衡效果的理論壽命示意圖

1.2 并行均衡及影響因素

并行均衡是指對(duì)串聯(lián)電池組中各單體電池通過(guò)同步充電或放電的方式進(jìn)行均衡，實(shí)現(xiàn)電池組中所有單體電池的上限電壓或下限電壓一致，保證電池組中所有單體電池在放電或充電時(shí)充分發(fā)揮各自的能量。本文主要論述并行充電均衡方式。

串聯(lián)電池組中每支單體電池電壓可實(shí)時(shí)采集，所以將單體電池電壓作為均衡策略判斷條件，在恒流充電過(guò)程中，單體電池的端電壓V(t)可用Rint模型表示，即：

V(t)=VO(t)+IRi

(7)

式中：V(t)表示t時(shí)刻電池端電壓；VO(t)表示電池的開(kāi)路電壓；Ri表示充電過(guò)程的直流內(nèi)阻，取充電電流方向?yàn)檎?；IRi表示電池內(nèi)阻引起的過(guò)電勢(shì)。即認(rèn)為單體電池的端電壓是由OCV、直流內(nèi)阻、充電電流共同決定的[9]。

對(duì)于同一體系中同一型號(hào)的電池，老化過(guò)程中電池的開(kāi)路電壓與SOC的關(guān)系近似穩(wěn)定，因此電池組中單體電池電壓的差異主要取決于充電電流和電池內(nèi)阻[10]。電池組均衡過(guò)程中，充電電流的一致性可以檢測(cè)和控制，但均衡線路的電阻會(huì)直接影響電池端電壓的檢測(cè)，即其與電池端電壓是耦合的。

均衡線路電阻包括電池內(nèi)阻和均衡線纜的電阻。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電池電極材料、電解液、隔膜、極柱等零部件的電阻和之間的接觸電阻決定。極化內(nèi)阻是由電化學(xué)反應(yīng)中的電化學(xué)極化和濃度極化造成[9]，受電池充電倍率的影響。在電池組恒流均衡過(guò)程中，極化內(nèi)阻對(duì)電池組端電壓差異的影響極小，甚至可以忽略，但均衡線纜的電壓降對(duì)電池的均衡一致性影響較大。下面以4通道均衡裝置分析線路壓降對(duì)電池均衡效果的影響，圖3為4通道均衡設(shè)備N+1根線電流分布圖。其中，N為單體電池?cái)?shù)量；L1～L5是該電池組的5根采樣和均衡線，I1～I(xiàn)4分別為通道1～通道4輸出的均衡電流。

圖3 4通道均衡設(shè)備均衡電流分布圖

假設(shè)L1～L5每根線的截面積為0.5 mm2，L1～L4長(zhǎng)1 m，L5長(zhǎng)1.1 m，銅的電阻率為0.017 2 Ω·mm2/m，那么根據(jù)計(jì)算電線的電阻計(jì)算公式R=ρl/S得：L1～L4每根線的電阻為0.034 4 Ω，L5的電阻為0.037 84 Ω。

當(dāng)所有通道均以5 A電流恒流均衡時(shí)，從圖3可以看出，L2～L4上的電流正負(fù)抵消為零，L2～L4上無(wú)電壓降。通道2和通道3端口采樣到的電壓分別為CELL2和CELL3的電壓。由于I1在L1上產(chǎn)生的電壓降為0.172 V，I4在L5上產(chǎn)生的電壓降為0.189 2 V，通道1端口采樣到的電壓比CELL1實(shí)際電壓高0.172 V，通道4端口采樣到的電壓比CELL4實(shí)際電壓高0.189 2 V。如果以3.6 V作為均衡截止的判斷條件，每個(gè)電池初始狀態(tài)一致，CELL4將最先均衡截止，實(shí)際截止電壓為3.410 8 V；其次是CELL1均衡截止，實(shí)際截止電壓為3.428 V；最后是CELL2和CELL3根據(jù)均衡線路電阻大小先后截止。

實(shí)際中，電池狀態(tài)和各通道的均衡線路電阻存在差異，且一致性難以控制。按照上述分析，電池截止電壓會(huì)存在較大差異，均衡電流越大，線纜長(zhǎng)度差異越大，線纜上產(chǎn)生的壓降就越大，電池經(jīng)過(guò)均衡完成后一致性越差。達(dá)到一定程度時(shí)，均衡設(shè)備無(wú)法起到均衡的作用。因此，電池組均衡時(shí)消除均衡線路電阻影響，是保證電池一致性的關(guān)鍵。

1.3 并行均衡的解耦控制

采用N+1根線纜對(duì)串聯(lián)電池組均衡時(shí)，電池組中各單體電池的均衡截止電壓存在較大差異。本文提出均衡與采集線纜分時(shí)復(fù)用技術(shù)，輸出線纜為N+1根，采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制均衡電流，在電池均衡末端采用PWM波的形式控制輸出電流，在輸出電流為0時(shí)，對(duì)單體電池的電壓進(jìn)行檢測(cè)，消除均衡線路電阻對(duì)單體電池電壓檢測(cè)值的影響，從而實(shí)現(xiàn)了均衡過(guò)程中，電池端電壓與均衡線路電阻的動(dòng)態(tài)解耦，既解決了均衡線路電阻對(duì)電池組一致性的影響，也可以保證各電池均衡后的一致性狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)并行均衡，可以準(zhǔn)確檢測(cè)串聯(lián)電池組中每個(gè)單體電池的容量，對(duì)于內(nèi)阻大或自放電率大的電池也可以通過(guò)多次循環(huán)均衡的方式有效識(shí)別。

通過(guò)控制電池組中各單體電池的電壓和電流，實(shí)現(xiàn)同電壓、同電流均衡截止，這種均衡方式與基于容量估算的均衡策略相比，有效地規(guī)避了因電池內(nèi)阻差異、容量差異、均衡線路電阻等因素對(duì)電池組均衡效果的影響，降低了電池管理系統(tǒng)狀態(tài)估算的難度，使電池組中各單體電池的均衡更加可靠、有效，尤其針對(duì)上千支、上萬(wàn)支單體電池組成的商用車車載儲(chǔ)能系統(tǒng)和電力儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠在短時(shí)間內(nèi)最有效地實(shí)現(xiàn)均衡和故障電池診斷。

2 模塊化并行均衡充電系統(tǒng)

根據(jù)大規(guī)模電池成組特點(diǎn)，并行均衡充電系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)，如圖4所示。每一個(gè)均衡通道對(duì)應(yīng)電池組中的一支單體電池，基于商用車電池組主要以12支或16支單體電池組組成，本文以每12個(gè)均衡通道為并行均衡充電系統(tǒng)的基本單元，每個(gè)基本單元中的12個(gè)均衡通道采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，最多可同時(shí)實(shí)現(xiàn)12支單體電池串聯(lián)電池組的均衡。如果電池組串聯(lián)數(shù)量多于12支且小于等于24支，可采用2個(gè)均衡單元對(duì)電池組進(jìn)行均衡，以此類推。每個(gè)通道的輸出為恒流5 A；可根據(jù)不同的電池體系，設(shè)計(jì)不同的工作模式和截止電壓值。系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制均衡控制技術(shù)，保證各單體電池均能達(dá)到自身的最大容量，確保將動(dòng)力鋰電池組的不均衡度控制在允許的范圍內(nèi)，從而提高動(dòng)力鋰電池組的循環(huán)壽命。均衡系統(tǒng)支持對(duì)每個(gè)單體電池電壓的實(shí)時(shí)檢測(cè)和監(jiān)控、均衡能量的自動(dòng)測(cè)算、測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存。同時(shí)，均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)多重保護(hù)措施，以確保電池及均衡系統(tǒng)的安全。

圖4 電池組并行均衡系統(tǒng)原理框圖

均衡系統(tǒng)分為三大功能單元：APFC單元、12通道并行充電單元和主控單元。APFC單元將交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)并抑制啟動(dòng)沖擊電流；12通道并行充電單元檢測(cè)接入的電池支數(shù)以及電池電壓是否符合均衡要求，若符合要求，均衡模塊輸出電流為每支電池均衡；12通道并行充電單元同時(shí)與主控單元通訊，上傳相關(guān)均衡信息，主控單元支持將相關(guān)信息存入到SD卡中，當(dāng)電池達(dá)到均衡結(jié)束條件后，并行均衡單元停止對(duì)此電池的均衡，直到所有電池完成均衡，并行均衡系統(tǒng)停止工作。APFC單元和主控制器的原理框圖如圖5所示，主電源板主要由EMI/C整流濾波單元、預(yù)充電單元、APFC功率轉(zhuǎn)換單元、高壓直流輸出控制單元、輔助電源單元及主控制器單元組成。

12通道并充單元由12個(gè)并充模塊、輔助電源、并充單元主控板組成。其中并充模塊采用恒流恒壓雙閉環(huán)控制，恒流值為5 A，恒壓為4.85 V；當(dāng)模塊輸出電壓大于4.85 V時(shí)判定為模塊故障，并輸出報(bào)警信號(hào)。

圖5 APFC與主控制器原理框圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

任意挑選12支初始電壓大于2.5 V，容量為40 Ah的單體電池進(jìn)行成組(其中三支一致性較差)，單體電池容量與內(nèi)阻的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。從圖中可以看出該組電池的最大容量為42.276 Ah，最小容量為34.063 Ah，容量差最大為8.213 Ah；最大內(nèi)阻為2.917 mΩ，最小內(nèi)阻為0.544 mΩ，內(nèi)阻差最大為2.373 mΩ。

圖6 電池組單體電池的容量與內(nèi)阻對(duì)應(yīng)關(guān)系

將單體電池按照編號(hào)1～4、5～8、9～12分為三組，分別將它們的荷電狀態(tài)調(diào)整至10%、30%、50%進(jìn)行串聯(lián)成組測(cè)試。

使用并行均衡系統(tǒng)均衡前后的電池組充放電容量對(duì)比如圖7所示。均衡前，電池組充放電容量為最小單體電池容量的50%(即17Ah左右)；均衡中，電池組充放電容量從最小單體電池容量的50%左右提高到最小單體電池容量的100%；均衡后，進(jìn)行三次充放電循環(huán)，電池組充放電容量仍保持在最小單體電池容量的98.79%以上，且保持穩(wěn)定，說(shuō)明維護(hù)效果良好，并行充電維護(hù)設(shè)備可以對(duì)一致性較差的電池組進(jìn)行均衡。

圖7 串聯(lián)電池組均衡前后的充放電容量對(duì)比

均衡前后的單體電池放電末端電壓對(duì)比如圖8所示。均衡前，從各單體電池的末端電壓無(wú)法判斷電池優(yōu)劣；均衡后，容量較低的電池與其他電池放電末端壓差很大，使用此設(shè)備進(jìn)行電池組均衡后，再對(duì)整組電池進(jìn)行放電，根據(jù)電池組的末端壓差可以剔除容量較低的電池。同理，采用均衡系統(tǒng)均衡后，將電池組擱置一段時(shí)間后再進(jìn)行放電，可以對(duì)自放電率較大的電池進(jìn)行分選。

圖8 電池組均衡前后的單體電池放電末端電壓對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

將本文所述的串聯(lián)電池組并行均衡系統(tǒng)用于某大型兆瓦級(jí)儲(chǔ)能項(xiàng)目，系統(tǒng)容量提升超過(guò)15%，且均衡后系統(tǒng)容量保持穩(wěn)定。并行均衡技術(shù)可對(duì)一致性較差的串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡維護(hù)，并保證在串聯(lián)電池組中的各單體電池以同電流、同電壓充電時(shí)截止均衡。均衡后，串聯(lián)電池組中所有單體電池的動(dòng)態(tài)末端電壓將調(diào)整至較小的偏差范圍內(nèi)，保證電池組中各單體電池一致性，最大限度地發(fā)揮電池組的放電容量。同時(shí)，并行均衡系統(tǒng)可定位電池組中容量較低的電池，以便對(duì)容量衰減較快的電池進(jìn)行定位。