蓄电池组均衡充电控制策略的研究

汤秀芬，张 鑫，米 晨

(1.宁夏大学 物理电气信息学院，宁夏 银川750021;2.宁夏大学设备与物资管理处，宁夏银川750021)

独立光伏VRLA蓄电池储能系统是由多个单体电池串联而成，由于环境温度、自放电率差异等原因，通过多次充放电循环之后，组成电池组的各单体电池的内阻、容量等参数的不一致性，严重影响蓄电池的使用寿命和效能以及系统的可靠性。因此，分析电池过早损坏的原因，以便采用正确的使用和管理方法，延长电池组的使用寿命，成了研究光伏系统储能技术重要课题之一。

1 使用中电池参数的不一致性的影响分析

电池参数的不一致性是指同一型号规格的电池的电压、内阻、容量等参数存在差别。

1.1 充电接受能力与过充电的影响

1967年美国人J.A.MAS在研究蓄电池能够接受的最大充电电流和充电电流曲线时找出了蓄电池快速充电过程中析气的原因和快速充电的一些基本规律［1］。由图1中可知，产生大量析气现象不仅出现在电池充电的后期，在充电的任一时间里，只要充电电流大于当时可接受电流，就会出现“过充电”现象。

式中，I为在充电过程中某一时刻电池的充电可接受电流;I0为开始充电(f=0)时电池的充电可接受电流;α为充电可按受电流衰减常数。

如果充电过程始终保持可接受的充电电流，则电池的容量由式(2)求出:

由式(2)得:

图1 蓄电池充电特性曲线

由式(3)可知，对于充电可接受电流衰减常数α基本相同的同一型号电池，容量低的电池充电可接受电流小;某一个电池的实际容量下降时，其充电可接受电流也将减小［2］。

过充电所产生的大量气泡会对极板微孔造成压力，使极板活性物质容易脱落;电解液因析气而水分减少，其密度增大，液面下降，使得电池的电解液密度过高，极板因液面过低而外露氧化，这均使极板容易硫化，使用寿命缩短。

1.2 电池过放电的影响

电池过放电时，其端电压急剧下降，并易使极板上生成粗晶粒的硫酸铅。可见，过放电同样会使电池容量降低，影响其使用寿命。由于终止电压监测的及时性和可靠性问题，从而使得电池能量管理系统很难实现及时准确的终止放电控制［3］，因此，电池组中容量低的电池过放电问题难以避免，电池组中电池容量差距越大，容量低的电池过放电就会越严重。

1.3 电池组中各电池容量不一致的影响

如前所述，组成电池组的各电池的内阻、容量等参数的不一致性，会使电池组中容量低的电池更容易过充电和过放电，从而使电池组陷入电池极板硫化加剧、容量差距进一步扩大的恶性循环之中。这不仅缩短了电池使用寿命，还会因为电池极板硫化而使其内阻增大和有效活性物质减少，从而使电池组充放电能量转换效率、输出功率下降［4-5］。

因此，在电池组中加上最优的均衡电路，实现各单体电池在充放电过程中保持一致，最大限度发挥蓄电池的效用，延长电池组循环使用寿命，具有十分重要的意义。

2 电池组均衡控制方案

2.1 均衡充电控制系统结构

均衡充电控制系统拓扑结构如图2所示，整个控制系统由充电机、均衡管理电路以及串联电池组三部分构成［6］。

在充电过程中，充电机根据不同的充电状态要求输出一个给定的充电电流ic，可以等效为一个受控恒流源。电池组由多个单体电池串联而成，每个单体电池的充电电流为ibi(i为单体电池编号)，受其对应的均衡单元控制，单体电池的输出电压为Ubi。均衡管理是整个均衡充电控制系统的核心，监测电池组中所有单体的电压、电流和温度等状态信息，并根据电池组的荷电状态(SOC)决定充电机的充电状态及充电电流。当由于不一致而出现单体电池电压不均衡时，电池管理中的均衡控制电路通过一定的控制策略独立的调节单体电池的充电电流，适当的增加电压较低的单体电池的充电电流，适当的减小电压较高的单体电池的充电电流，使充电过程中所有单体电池的电压更加一致，从而均衡的对整组电池进行充电，提高电池组的性能和循环寿命。

图2 均衡充电控制系统结构框图

2.2 均衡控制电路结构比较分析

目前蓄电池组均衡电路控制方法中，根据均衡电路能量的消耗情况主要分为能量耗散型和能量非耗散型两种［7］。能量耗散型均衡电路主要通过在蓄电池组中各单体电池上并联分流电阻实现，该均衡电路结构简单，在电池组充电过程中便可实现均衡，实现方式主要通过分流来消耗高容量单体电池的能量，因而该方法主要存在能量浪费及散热问题。能量非耗散型均衡电路是利用电容、电感等储能元件，作为能量过渡，可以将能量从容量较高的单体转移到容量较低的单体，实现电池组内的均衡，减小不一致性。其主要特点为能量利用率较高或几乎不消耗能量，在蓄电池组充放电过程中能实现动态均衡。非耗散型均衡电路结构比耗散型复杂些。

2.3 独立均衡分流电路工作原理

通过研究现有非耗散型均衡方案的优缺点，基于独立光伏系统的需要，以及成本的考虑，设计一种基于单片机控制、采用PWM分流法对电池的外部参数进行实时的检测和分析，实现均衡充电的电路。通过该电路克服电池间的不一致性，延长电池组的使用寿命，提高电池组使用效率。

如图3所示，每个独立分流模块由一个功率开关管Q1，一个储能电感L1和一个续流二极管D1组成。每个分流模块两端分别各接一节单体电池，形成一个非隔离式半桥变换电路。分流功率开关MOSFET的Q1触发与否，主要看与它相对应电池的电压与其下面电池电压的关系，比它高就触发，反之不触发。假设电池组中电压不均衡，如UB1＞UB2，这时MOSFET的Q1被触发开通时，电能储存在L1中;当Q1关断时，L1为了续流，构成D1、L1、B2回路，这样电感中储存的能量就转移到B2中，即实现了能量从B1到B2的转移。电池组末端电池电压与第一个电池电压作比较，高则让其对应的开关触发，使其能量通过反激式变压器回到充电总线上。通过分析可知，能量似乎只在相邻电池间传递。实际上，能量的传递趋势总是由电压最高的电池传递到电压最低的电池上，只不过这一过程是通过其他电池间接传递的，但效果相同。为使储存在电感中的能量在一个开关周期内不累积，应使 D≤0.5［8］。

图3 均衡分流电路

2.4 电池组均衡控制策略

均衡系统结构框图如图4所示。电池组是由多节单体电池串联而成，每相邻的两节单体n和n+1都连接着一个均衡分流模块，因此对于包含n节单体的串联电池组而言共需要n－1个均衡模块，为给电池组末端的电池提供能量转移回路采用了反激变换器。控制MOSFET来实现对电池的恒流充电、恒压充电以及浮充，将能量从电压高的电池转移到电压低的电池，从而实现均衡充电。通过实验验证，为了达到更好的均衡效果，在充电开始瞬间立即开启电压均衡模块，使所有单体电池电压均衡到同一水平，然后再让所有单体电压以同一斜率上升直至电池容量达到最大［9］。

图4 均衡控制系统框图

3 实验与结果讨论

3.1 实验的设计

采用普通三段式充电器及恒流源负载对电池进行充放电实验，电池组充电后端电压的测量采用4位半数字电压表，循环次数计数采用南京盛普公司的SP100B多功能计数器。搭建相应电路将充电器、恒流源负载及计数器等组成自动充放电系统，循环过程中循环次数、电压数据的记录采用人工记录方式，从第一次循环开始每一次循环对数据做一次记录。实验所用VRLA电池采用浙江恒基电源有限公司的型号为6-DZM-10的12 V 10 Ah电池，使用期均有半年左右。

将8只12 V 10 Ah的电池分成两组，第一组电池组不加均衡电路，第二组电池组安装了自制的均衡控制电路，做出两组电池的充电后端电压-循环次数曲线进行分析。普通三段式充电法的恒流充电电流是1.8 A，恒流到恒压的转换电压是57.2 V，浮充充电电压是55.2 V，放电均为5 A恒流放电。

图5 无均衡电池端电压

图6 均衡电池端电压

3.2 实验结果与讨论

如图5和图6所示:第一组电池组的电池最大电压差△U有明显的增大趋势，而第二电池组电池最大电压差在第7次循环后趋向平稳，且最大电压差△U很小。表明无均衡电路的电池组，其一致性会随循环次数增加而加剧;而安装了均衡电路的电池组很快能使差异大幅缩小，且使一致性始终保持很好的状态。

由于串联电池组中单体电池的性能不一致，其电压并不相同。当充电时，由于没有均衡控制，所有电池组的充电电流完全相同，从而使单体电池电压差异逐渐增大。在充电后期，单体电池电压出现严重不均衡，部分单体电池严重过充电，而另外一部分单体电池则严重欠充电。

采用本文所提出的均衡充电控制策略后，虽然在开始充电阶段各个单体电池之间存在明显的不均衡，但由于均衡控制电路能根据电池组的均衡状况修正每个电池组的充电电流，随着充电过程的进行，单体电池电压差异逐渐缩小，在充电后期达到较好的均衡效果，从而能够提高电池组的性能和循环寿命。

4 结论

本文分析了单体电池性能不一致对电池组循环寿命的影响，指出它是电池组提前失效的主要原因。通过研究电池组均衡充电控制电路结构及电路模型，比较几种均衡充电的方法，分析其不足，提出了一种较为理想的均衡方法，通过均衡PWM分流模块实现单体电池能量的内部相互转移，最终在充电后期处于同一充电深度，解决了单体电池的过充和不一致性问题，提高了电池组的使用寿命。用两组12 V/10 Ah铅酸蓄电池组进行了对比测试，实验结果证明了该策略的有效性。

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