基于钛酸锂电池的离线均衡研究

，，2，

(1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2.北京交大创新科技中心，北京 100044)

Research on Off-line Equalization Based on Lithium Titanate Battery

LU Changhai 1，LIU Biao1，2，ZHAO Peng1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

基于钛酸锂电池的离线均衡研究

陆长海1，刘彪1，2，赵鹏1

(1.北京交通大学电气工程学院，北京 100044；2.北京交大创新科技中心，北京 100044)

Research on Off-line Equalization Based on Lithium Titanate Battery

LU Changhai1，LIU Biao1，2，ZHAO Peng1

(1.School of Electrical Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China；

2.Innovation and Technology Center of Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)

摘要：以东芝钛酸锂电池组为研究对象，设计电池组的均衡方案，选择了能耗型均衡方式来实现电池组均衡，并且对不同情况下的电池组进行均衡实验。最终验证设计方案可靠，能对电池组进行有效均衡，从而提高了电池组的利用效率。

关键词：电池组；钛酸锂；均衡方案；均衡实验

中图分类号：TN86

文献标识码：A

文章编号：1001-2257(2015)10-0020-03

收稿日期：2015-06-30

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61401017)

Abstract：We designed the equalization strategy for Toshiba lithium titanate battery pack and the equalization circuit is energy consuming. Moreover，we conducted the equalization experiments on the battery pack under different conditions. The design is proved reliable to balance the battery pack and improve the utilization efficiency of them.

作者简介：陆长海(1990-)，男，江苏兴化人，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置；刘彪(1982-)，男，河北保定人，博士后，讲师，研究方向为数据通信与控制网络；赵鹏(1990-)，男，河北保定人，硕士研究生，研究方向为数据通信与控制网络。

Key words：battery pack；lithium titanate；equalization strategy；equalization experiment

0引言

锂离子电池以其优良的性能被认为是电动汽车的理想能源。锂离子单体电池的电压和容量都无法满足电动汽车应用、储能应用的需求，为使其能达到电压、功率、能量的等级要求，通常将单体电池串并联成组后使用。而各单体电池的初始容量，内阻，电压皆不完全相同，且实际电动汽车行驶工况复杂多变，电池的充放电频繁，这都会使电池组里的单体电池产生电压容量的不一致，从而降低了电池组的利用效率，缩短了电池组的使用寿命。因此提出有效的电池控制和均衡方法成为电动汽车研究和开发的重要课题之一。

1实验电池性能

选择东芝标称容量为20 Ah的钛酸锂电池为实验对象，以0.5C给实验电池进行充放电，每次冲电或放电5%SOC的电量，静置2 h后，得到如图1所示的充放电情况下的OCV-SOC折线图，从图中可以看出充电和放电情况下测到的OCV-SOC曲线有细微的不同，导致这个现象的原因可能是电池SOC从0%～100%各阶段在充电和放电情况下，正负电极上的活性物质结构不同。但是不管是充电还是放电情况下的曲线，OCV和SOC有很好的对应关系，不存在平缓的区域。

图1　SOC-OCV对应曲线

2均衡控制原理

电池组均衡实际上是对电池荷电状态(SOC)的均衡，均衡方案主要分为能耗型和非能耗型两种。能耗型均衡的主要思想是在电池充放电过程中，对电池组中电压最高的单体电池通过并联电阻分流实现能耗均衡，电路实现简单，易于操作。非能耗型均衡是通过电容、电感等储能元件，使能量在单体电池问或系统内部转移，比较节能但是电路复杂，成本较高。按照时效性分为在线均衡和离线均衡两种方式，在线均衡即是在电池使用过程中均衡，离线均衡是在电池非工况下给电池均衡。在线均衡电流较小，均衡速度较慢，且容易在电池内部产生多余的热量。因为离线均衡电流更大，考虑到经济性和效率性，采用能耗型的离线均衡方式。

均衡有两种模式，一种是手动均衡模式，即可以设定任何一节电池的电压，然后电池单体通过充放电到达各单体电池指定电压；另一种是自动均衡模式，让系统自动判别各单体是否满足均衡条件(设定条件为电池单体电压差大于10 mV)，根据不同的情况给各电池单体充放电。由于钛酸锂电池较好的外电压特性，可以用电压来作为均衡的判别依据，如图2所示，当均衡电路工作时，通过控制开关管S1，S2…Sn给电池放电，或者SW1，SW2，…，SWn给电池充电。另外均衡容量，均衡时间以及均衡电流有如下关系：

(1)

图2　均衡电路原理

C为均衡容量;i(t)为均衡电流，t1—t0是时间差。由原理可知，当单体电池容量偏高，就通过放电电阻R给其放电，让它向较低电压靠拢；单体电池容量偏低，就采取给其充电的方式，抬高其容量。

3均衡总体设计

总体均衡设计如图3所示，主控模块通过CAN总线和从控模块通信；从控模块是一个均衡控制模块且采集各单体电压，每个从控模块控制6个电池，在均衡过程中完成电压采集并检测电池均衡状态，利用485串口与人机界面进行上行通信。均衡模块负责根据电池状态给电池充放电，主要是给12个串接电池进行监控均衡。

图3　总体均衡设计

4实验测试

实验采用的是均衡方案，选择的是12个Toshiba 20 Ah的钛酸锂电池级联成为电池组，模拟整组电池离线均衡实验。电池在使用后，一般出现如下3种情况，第1种是整个电池组有一个单体电池电压偏高，第2种是整个电池组有一个单体电池电压偏低，第3种是电池组各单体电池高低不均。

如表1中数据所示，电池组在使用一段时间后已经出现电池5电压明显高于其他电池单体，给电池组用6 A恒流充电，当电池5达到电压上限2.7 V时，停止充电，从图4可以发现，其余电池单体均没有充满，只有85 %SOC左右的容量，静置过后整组放电至SOC=0，即电池组中任何一单体电压到1.5 V便停止放电，得到可用的放电容量约为17.19 Ah，较电池的标称容量20 Ah有较大差别，电池容量利用率较低。

表1　第1种电池状态　V

图4　第1种状态电池组整组充电

先将电池组恢复至表1的电压状态，利用均衡电路给电池组进行均衡，将12个串联电池接上，启动均衡。在手动均衡模式下，电池5在放电，最终静置电压为2.133 V，最高为电池6 2.134 V，其余电池基本在2.132 V或者2.133 V，电池组单体电压基本一致，第1种状态电池组整组均衡如图5所示。以6 A将电池组充满，静置后再放电至SOC=0，可以得到可用放电容量为19.86 Ah，经过均衡后的电池组，很明显可用的放电容量增大，电池利用率也提高了。

图5　第1种状态电池组整组均衡

再取一电池组，经过使用后的状态如表2所示。电池4的电压明显小于其余电池单体的电压，给电池组恒流6 A充电，当任一电池电压到达2.7 V停止充电，如图6所示，当其余电池几乎充满时，电池4还相差较大，静置后，放电至SOC=0，放电容量为17.06 Ah，很明显利用率不高。

表2　第2种电池状态　V

图6　第2种状态电池组整组充电

先将电池组恢复至表2的电压状态，利用均衡电路给电池组进行手动均衡，将12个串联电池接上，启动均衡。如图7所示，电池4充电至和其余电池相差无几，静置之后，都维持在2.188 V左右。以6 A将电池组充满，静置后再放电至SOC=0，得到可用放电容量为19.73 Ah。

图7　第2种状态电池组整组均衡

最后一种情况是电池经过长时间的使用，出现了各种电池容量的不均衡，体现在开路电压上就是各电池单体电压高低不均。取一组钛酸锂电池组，电压数据如表3所示。

表3　第3种电池状态　V

如图8所示，电池组在6 A恒流充电下，一部分高容量电池先充满，剩余低容量的电池并未充满，静置后，放电至SOC=0，放电容量为17.56 Ah。

图8　第3种状态电池组整组充电

接上均衡电路设备，均衡曲线如图9所示，由于采用自动均衡方式，系统每均衡一段时间，便停下几秒检验电压差，所以曲线呈凹凸状。最终电池电压都分布在2.166 V到2.175 V之间，最大压差仅为9 mV，改善了电池的不均衡性。按上述方法最终放电至SOC=0时，放电容量为19.12 Ah。

图9　第3种状态电池组整组均衡

5结束语

均衡设计离线均衡方案，是在电池组非工作状态下进行均衡维护，这样均衡电流较大，能够快速均衡，提高效率。其次采集电池电压精度较高，确保能准确地测出电压差值和判断均衡的条件。整体均衡方案的简单易行，在3种不同的电池组状态下，都能很好的控制电池的容量，拉近各单体的容量，提高电池组的可用容量和利用效率，对电动汽车的电池维护具有实用意义。

参考文献：

牛萌，姜久春，郭宏榆.混合动力车用电池均衡方案研究.微处理机，2010(5)：125-127.

陈金干. 基于模型的动力电池参数估计研究.上海：同济大学，2009.

刘红锐，夏超英.一种新型的电动车用电池均衡方法探讨.汽车工程，2013，35(30)：935-937.

Nork S，Knoth S.高效的双向主动平衡器可延长电池运行时间.今日电子，2013(7)：50-53.