电动汽车铅酸蓄电池均衡充电技术试验研究

张庆良 赵树国 高志贤 李 科

(邯郸职业技术学院机电系，河北邯郸056005)

一、引言

蓄电池几乎全都用于多个单元电池串联组合的场合。将多块单元电池作为一组来进行充电时，会在所有单元电池上施加单一电压。如果单元电池初始电压不同，会导致蓄电池充电不平衡，最终可能会导致蓄电池失效，因此总体失衡是串联蓄电池充电时的最严重问题。在串联蓄电池充电过程中，需要采用某种形式的均衡充电机制来恢复平衡，至少要防止非平衡现象继续恶化。

蓄电池均衡充电的常规做法为:或者通过施加足够电压以确保所有单元电池某种程度的过充电;或者经由单独的高电压充电步骤以使最低容量的单元电池达到要求电压。

研究者认为长串联蓄电池组存在均衡问题，但是只有几块单元电池的短电池串同样存在此问题。根据参考文献［1］，6块铅酸蓄电池进行常规的电压限制充电，最大充电电压保持在2.35V，进行12小时充电。随着充电、放电周期循环，蓄电池性能逐步下降。只有当充电时间延长到16小时后，才有足够时间来恢复平衡。即使如此，大约需要1周时间才能完全恢复电荷平衡。该充电策略代表的充电过程为被动均衡充电过程:在电压受限情况下，确保高容量单元电池过充电，直到低容量单元电池完全充足电。即使是对12V单体电池，这个过程也很慢。

［2］中阐明了需要均衡充电的其他因素。在不均衡充电情况下，几组12V铅酸蓄电池串联起来进行循环试验。作为单体电池时，它们至少可进行400次循环。然而充电时如果不能保证制造商规定的过充电时间，而这在很大程度上涉及到平衡时间，蓄电池组工作不到30次就无法再使用。

均衡充电必须考虑的关键问题为:均衡充电过程需要单元电池电压匹配，而真正需要匹配的是荷电状态(state-of-charge，SOC)，那么电压是否可以精确替代SOC;如何准确匹配单元电池，以使均衡充电过程有意义;均衡充电的优势是什么，是否会延长蓄电池寿命，降低成本?文章以阀控式铅酸蓄电池(valve-regulated lead-acid，VRLA)为例，探究了上述问题。

二、电压平衡

均衡充电目的是在一系列单元电池间匹配SOC。由于蓄电池组的充电电压一致，结果则为电压匹配。然而，电压与SOC之间的关系并非直截了当。2V铅酸蓄电池静置30分钟后测量开路电压，所得开路电压与SOC的关系如图1所示。

图1表明，蓄电池开路电压与SOC间的关系单一，线性且明确。在0～100%的SOC变化范围内，电压变化约为0.2V。相当于1%的SOC变化对应于2mV。从图1中可得两个推论:稳态下的铅酸蓄电池，电压可反映SOC状态;稳态时，单元-单元10mV电压波动对应于5%的SOC变化。其他情况下，结果则较为复杂。例如锂离子电池，在0～100%的SOC变化范围，电压并未表现出显著变化。虽然关系单一，但并非线性。文献［3］证实，锂离子电池LiMnO4和LiFePO4开路电压和SOC关系如图2所示。

由铅酸蓄电池均衡充电可以推论，均衡充电同样可应用于锂离子电池组。但是对于其平坦的开路电压-SOC配置特性而言，只有非常精确的电压匹配，才能达到良好效果。

在动态充电条件下解释上述行为则相对复杂。充电电流较小时会反映类似行为，但充电电流过大时则会扭曲电压行为，从而导致错误结果。对两个12单元铅酸蓄电池组，分别在有均衡充电和没有均衡充电条件下测试。铅酸蓄电池标定容量为5A·h，以1/10放电率放电，以评估铅酸蓄电池的电压波动行为，结果如图3和图4所示［2］。测试电池1连接有外部电路，以分流过充电流来实现部分均衡充电。由图3可知，在测试循环内，测试电池1的单元-单元电压差异保持于约12mV;测试电池2没有均衡充电作用，约13个周期后，测试电池2单元-单元电压差异开始漂移，15个周期后，测试电池2单元-单元电压差异上升到约15mV。由图4可知，从约15个周期开始，测试电池2容量开始下降。试验表明，15mV是基于均衡充电作用的上限。

根据图1开路电压和图3、图4充电条件下动态电压分析，可以得出结论:电流受限条件下，电压匹配是铅酸蓄电池SOC匹配的有效方式。只有保持蓄电池单元-单元电压差异约10mV或者更小，才会有均衡效果，这可以通过单元电池状态管理实现。而偏离此容量的单元电池，必须更换。

生产商指定的各种蓄电池循环次数为几百次甚至几千次。一般而言，串联蓄电池组无法达到这个水平。应用单元电池和串联蓄电池组的唯一差别在于对单元电池电压的管理，均衡充电过程会确保串联蓄电池组像单个单元电池那样工作［4］。

三、均衡充电优势

为了使低容量单元电池完全充电，传统的均衡充电方法是主充电过程之后，提供强制过充电时间间隔。它依赖单元电池的特性来恢复匹配，可称为被动均衡充电。但是，被动均衡充电以析气和大容量单元电池温升为代价，并且过程缓慢。

蓄电池组中，单体电池电压一般为6V或12V。随着循环次数增多，蓄电池组故障通常表现为单体电池容量衰退。均衡充电意味着强制过充电时间增长，但是长时间过充电可导致热失控。在更高电压水平下充电时，均衡充电时间随单元电池数量的平方而增长［2］。即使是24V的单体电池，也需要有效均衡充电过程。需要外部活动进程来补充被动均衡充电，以加速单元电池匹配和维持循环寿命。以两只12V单体铅酸蓄电池串联进行充电测试，充电初期，测试电池1比测试电池2的SOC高10%。经过长时间充电后，蓄电池电压差异如图5所示。

由图5可知，60h后，2组蓄电池电压差异下降为约2V。但即使如此，也需要几周的时间来恢复均衡。一般而言，蓄电池组中电池数量越多，越难以保证每个单元电池有足够电压。电动汽车和混合动力汽车往往使用串联蓄电池，由于其高电压、高放电率，因而对蓄电池性能要求更高。

均衡充电支持SOC匹配，优势如下:首先，均衡充电的蓄电池组会表现出和单元电池相同的寿命。在合适电荷限制下，蓄电池循环次数可达到制造商评级的循环次;其次，避免了与不均衡充电有关的故障模式，不会发生低容量单元电池反复充电不足，最终失效的现;最后，如果单元-单元均衡，则没有必要进行强制过充电，也就是说，主动均衡充电可以降低充电电压，低电压可降低热失控可能性，减少析气，高容量单元电池无需承受过充电压力。其他优点还包括可互换性。许多用户建议将串联蓄电池组制作为紧密匹配的单元电池，以便在单元电池失衡之前增加循环次数。采用主动均衡充电技术可将单元电池聚集在一起，无需严格初始匹配。如果单元电池有缺陷或发生故障，主动均衡充电技术支持有缺陷的单元电池更换，且不会导致额外的单元电池不匹配。蓄电池组循环寿命增长，加上更换个别单元电池而非整体蓄电池组，因此成本显著降低。

总之，有效均衡充电能扩展蓄电池组循环寿命，从而达到单个电池或单元电池的水平;避免和单元电池不平衡相关的故障模式;发生故障时，允许更换某个单元电池或单体电池;防止单元电池充电不足而导致蓄电池组性能弱化。在蓄电池应用上，所有这些效用会显著节约成本。

四、均衡充电技术

上述讨论表明，对于单元电池或单体电池而言，可将其循环寿命延长到制造商承诺的水平。并且，在实践中确实有不同思路，从不同角度来确认主动均衡充电的优势。

使用分布式充电系统，由多个充电器为单元电池独立充电。这等同于单体电池的主动均衡充电，加入分布式充电系统后可以实现蓄电池性能改进明显。

参考文献［2］应用主动均衡器对传统铅酸蓄电池进行了测试，如图6所示。图6中，D1和D2为驱动电路接口，Cf为滤波电容，Ce为均衡电容，B1和B2为要均衡的蓄电池。

使用了两组测试电池，其中一组采用2.30V/单元电池充电，主动均衡器保持蓄电池的单元-单元间的10mV匹配;另外一组采用2.45V/单元电池进行被动均衡充电。被动均衡充电仅约6个周期后，单元电池电压偏差开始上升到10mV以上。测试期间同时进行了失水测定，主动均衡充电比被动均衡充电水损失减少40%。

参考文献［5］介绍了依靠电容器切换实现均衡充电的方法，如图7所示。图7中，q(t)为电容器时钟切换电路，用于控制单刀双掷开关换位;C1、C2、C3为电容，B1、B2、B3和B4为要均衡的蓄电池。

图7所示过程拥有几个关键竞争优势:简单而直接，可精确匹配电压;消耗能量少，并且可在充电和放电过程中连续使用;硬件模块化，可在单元-单元或单块-单块基础上配置，实现小型化;制造成本低，不需要特殊控件或零件;问题简单化，均衡充电过程独立于充电过程，可独立设定外部电流和电压。

使用主动均衡充电技术，可使串联蓄电池循环寿命达到类似的单体电池寿命。研究结果证实，只有将电压不平衡保持在低水平，才能保持性能不会下降。只有电压不均衡度低于10mV/单元电池，才会有上述优势。实际应用中，一旦均衡充电到位，蓄电池组总体性能改善明显，SOC可在0～100%范围内恢复而不显现任何不平衡。

五、结论

对短蓄电池组系列，可以用传统的被动均衡充电。但对高容量蓄电池组，由于蓄电池块数增多，被动均衡充电迅速失去效力。蓄电池组均衡充电益处明显:循环寿命更长，故障模式更少，维修简单，因此蓄电池组应用均衡充电可节约成本。有效利用串联蓄电池组需要单元-单元的SOC匹配以保持性能。一般来说，SOC匹配可以通过精确的电压匹配实现。对铅酸蓄电池，电压匹配为10mV/单元电池。参考文献［5］提供的技术，无需传感器或控制，能完美匹配电压，是已知的成本最低的主动均衡充电方法。至今所有结果表明，它可以成功地实现均衡充电性能改进。

参考文献

［1］Lohner A，Karden E，DeDoncker R.W.Charge equalizing and lifetime increasing with a new charging method for VRLA batteries.Proceeding of IEEE International Telecommunications Energy Conference，1997:407 ～411

［2］West S，Krein P T.Equalization of valve-regulated lead-acid batteries:issues and life tests.Proceeding of IEEE International Telecommunications Energy Conference，2000:439～446

［3］时玮，姜久春，李索宇，贾容达.磷酸铁锂电池SOC估算方法研究［J］.电子测量与仪器学报，2010，24(8):769～773

［4］冉建国，陈胜军.通过电池均衡提高铅酸蓄电池组寿命［J］.电源技术，2006，30(7):576～577

［5］Pascual C，Krein P T.Switched capacitor system for automatic series battery equalization.Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conference，1997:848～854