更换模式下的锂电池组均衡充电

程昌银，王桂棠，赖雄辉，江跃龙

（广东工业大学 信息工程学院，广东 广州510006）

0 引 言

锂离子电池以能量体积比高，无记忆效应等优点，在手机、笔记本电脑等便携设备中广泛应用。在近几年的发展中，锂离子电池逐渐成为电动汽车新动力能源的首选。然而这种电动汽车仍然很难推广，其中的原因之一是由于电池充放电控制不当产生的不一致性，进而导致电池的寿命短，缺乏安全性。锂离子单体电池电压低，要得到高电压就必须用很多单体电池串联，由于各单体电池在生产制造和使用过程中特性差异性很大。经过长时间的累积，电池状态必然造成不平衡，进而引起电池的容量、内阻、端电压等参数发生不相等，最终导致整个电池组的实际容量变小，寿命缩短和成本增大。基于此，本文研究对电池在更换模式下进行充电控制。所谓更换模式就是当电动汽车把锂电池组的电量快耗尽需要充电时，采取换用另外一组锂电池组提供能量［1］。它采用了智能充电技术和二次均衡技术相结合，保障了电池组电压的一致性。重点针对充电模式下的电池模型参数识别来评价电池电压的一致性。

1 均衡充电的意义

单体电池在充电过程中，锂离子电池可接受的充电电流是有限的。如果充电电流高于一个限值就会造成电池中电解液发生析气反应，产生大量热量使电池温度急剧上升。如果在充电过程中充电电压超过充电限制电压多次，轻微的会导致电池容量减小，电池发生变形，严重过充可能会导致电池发生爆炸。如果锂离子电池温度过高，会造成电池内部发生反应，那么电池可能爆炸。因此在充电过程中，要实时监测电池温度并对其加以安全控制。一般来说单体锂离子电池的电压比较低，因此在电动汽车上通常是串联使用的。电池组保留了单体电池的基本特性，但各个单体电池在生产和匹配时存在物理上的差异，这些差异也会影响电池组的使用寿命。因此电池组串联使用表现出与单体电池不一样的特性。电池组的使用寿命符合木桶原理，即最小的那节单体电池的容量等于整组电池组的容量。那么在电池充电时，因为单体电池电压高于其余电池电压，先达到充电截止电压而停止对锂电池组充电或者对锂电池组继续充电出现过充现象，进而导致在使用过程中出现严重的问题。

在充电过程中可以使用均衡电路来减小不平衡性对动力电池组的影响。合适的充电方式不仅能够最大限度地发挥电池的容量，而且可以延长电池的使用寿命。通过对电池组采用均衡方案来让能量在各个单体电池之间进行流动或者消耗掉，就可以保障电池不会因为过充和未充满导致的锂电池组寿命缩短。

2 均衡控制原理和实现

2.1 锂离子电池组的一次均衡方案

由于电池制造本身存在的容量差异或在组装时电池组的容量匹配没有做好，电池组在使用过程中会引发整组电池出现不均衡的现象。如果这种差异进一步扩大，会影响到整组电池的使用寿命。电池组不均衡的原因有：电池组内单体电池容量基本一致但其中某节电池的容量小于其余电池的容量；电池组内电池容量基本一致但其中某节电池的容量大于其余单体电池的容量，或者电池组内电池容量差异很大，由这几种情况就能造成过充或未充满的现象。

均衡方案从能量耗散的角度可以分为耗散型均衡方案和非耗散型均衡方案。耗散型就是把均衡系统中多的能量以热的形式在电阻上消耗掉；非耗散型就是把能量通过某种方式转移到某种可以利用的能量存储器中并加以利用［2］。对电池的均衡实际上是对电池荷电状态（SOC）的均衡，而SOC在30%～70%之间与电池的电压成线性关系［3］。因此该方案主要以锂电池组中的单体电压为参考，有效地结合耗散型和非耗散型均衡的特点，来均衡锂电池组单体电池的电压。

一次均衡充电又称智能充电，在充电过程中采取耗散型均衡法的第一次均衡方案原理如图1所示。给每个单体电池配备一个带MOSFET开关的并联支路。在某个单体电池出现过充时并联支路的开关闭合，这样与之并联的电阻可以消耗电池的能量来达到电池组的均衡。电阻能量消耗与电池单体电压成正比，利用电阻均衡方法对各个电池同时进行均衡且均衡效果较好。如果某单体电池的电压大于设定值，立刻开始均衡充电。

均衡容量与均衡时间和均衡电流之间的关系为：

式中，C为均衡容量；I为均衡电流；t为均衡时间；U为单体电压值；R为放电电阻［3］。

图1 耗散式均衡法原理图

耗散式均衡方案的均衡策略为：锂离子电池组的充电过程是由预充、恒压、恒流相结合的，其充电控制模块控制方式如图2。在电池组与充电电机接通后，充电电机首先需要以C/15（C为单体电池容量）量级的小电流对电池组进行充电。如果其中部分单体电池电压达到2.5 V时就对其单体均衡充电。如果都达到2.5 V，系统进入恒流充电阶段进行充电，并以较高的恒定速率（1C）对电池进行恒定充电。如部分单体电池电压达到恒压门限4.2 V时，均衡模块将对其单体进行均衡充电，继续对剩下电池充电；如果大部分单体电池达到上限电压4.2 V时，最后转入恒压充电阶段。随着电池电压的增加，这时的充电电流将不断减小直到检测到充电电流为C/15时，就停止充电电机。具体充电时参数的控制过程如图3所示。

图2 控制模块控制方式图

图3 充电参数控制过程曲线

2.2 锂离子电池组的二次均衡方案

对比于电动汽车在线模式下的充电，更换模式下对电池充电的时间是没什么限制的，完全可以运用均衡电路对电池组进一步均衡来保证电池的一致性，本系统配备了二次均衡电路。电动汽车需要容量大的电池组，并且工作时需要的功率也大，可以将能量从容量较高的单体电池转移到容量较低的单体电池中，或将高出的能量重新转移到电池组中再进行分配，从而缩小单体电池间的电压不一致性。在用电阻分流时可以实现对电池均衡作用但它不能使电池工作稳定，而电感电容具有储能功能［4］，因此可以采用电容电感的能量来均衡电路。本文采用电容均衡方法，该均衡方法属于能量搬迁式均衡，其基本原理是利用电容作为能量的存储器，将高能量的单体电池的能量转移到低能量的单体电池上来实现电池组内能量的均衡［5］，如图4所示。如果单体电池出现过充时，将闭合其对应的开关，这样就可以把多余能量转移到电容中，最后再把电容中的能量转移到充电回路中。

图4 电容式均衡法原理图

对于上述的均衡硬件电路，控制算法的好不好决定了均衡效果的优良。利用硬件电路的特点恰当地设计均衡控制算法，能均衡充满电池组中每个单体电池。

两次均衡控制算法的具体流程为：电机在对锂离子电池组充电的过程中，如果检测到电池组中有单体电池电压达到上限值，则让充电机停止工作。然后持续上面的工作对剩下的电池进行充电，待这些电池均达到上限电压后，再等一个小时（消除极化电压的影响），待电池的端电压稳定后，再通过二次均衡技术用电容均衡方法进行均衡，当检测到单体电池电压达到设定值，再停止对该单体电池充电，重复此过程，直到电池组中的所有单体电池都达到设定电压值为止，则说明该锂离子电池组充电完成。

2.3 均衡充电方案电路设计

根据电压、电流、温度参数的变化采取不同的充电电流和充电电压来达到均衡的作用。该方案采用了主从式的系统结构，如图5所示。其具体结构由PC机、一系列检测模块、以S3C2440为控制模块、均衡模块、充电电机、CAN总线、RS485和RS232构成。为了能满足电池充电系统的功能和通讯要求，系统的控制模块通过内部总线RS485与检测模块进行信息的交互，传递电池参数，并通过CAN总线对电机的控制，最后RS232接口将信息传递给整车PC机，实现实时信息的观测，以保证完成对整个电池组的充电过程。

图5 充电系统示意图

3 实验与结果

实验中采用了3组电池组，每组8节，第一组每节都是使用不久的新电池，第二组都是用过一定时间的电池，但都能正常工作，第三组是前两组中各4节。它们被正常使用后完全需要充电，电池电压为4.2 V。由PC机人机界面控制电池组充电参数和观看电池组充电过程的参数。实验得到的结果如下：

表1为智能充电完成后（未二次均衡）各电池组电压：N为组数，n为每组单体电压，单位为V。

表1 智能充电完成后的各电池组电压 （单位：V）

表2为二次均衡后电池电压数据。

表2 二次均衡后电池组电压数据

本文是以电池的端电压作为电池组均衡的参考变量（单体电池的电压为4.2V），由表1、表2的数据明显地看出在二次均衡后所得到的电压一致性比一次均衡后更好。

4 结 论

本文提出了一种针对电池电压为均衡变量的动力锂电池组充电均衡方案。文中加入了智能化的均衡控制及管理方法，对比以往的均衡方案，锂离子电池组在更换模式下，虽然电路和控制方法复杂，成本较高，但在此模式下不受时间的限制和电路使用重复率高，并能得到较高电压一致性，更好地延长了电池组的使用寿命。此方案将更有效，更有实用性。

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