电动汽车动力电池组串联充放电均衡控制研究

贾磊磊 张 旭

（洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南 洛阳 471934）

电动汽车动力电池组串联充放电均衡控制研究

贾磊磊 张 旭

（洛阳师范学院物理与电子信息学院，河南 洛阳 471934）

电动汽车的应用普及对现阶段的节能环保治理有重要意义，电池组的使用寿命以及性能严重制约着电动汽车的普及应用，本文在采纳前人部分实验数据的基础上，将电池组充电均衡控制和放电均衡控制结合起来，测试出合适的充放电均衡点，应用于电动汽车电池组，能有效延长电池组使用寿命，降低电动汽车的生产成本。

电动汽车；串联电池组；充电放电；平衡控制点

一、绪论

1. 研究背景

随着社会的发展与进步，节能和环保已成为人们普遍关注的问题。随着电动汽车的各项技术不断进步和完善，现阶段的电动汽车技术方面便进入了瓶颈阶段。蓄电池串联充放电不一致的问题便是制约电动汽车技术发展的瓶颈之一。被串联的各个蓄电池在其充放电过程中的节奏存在个体差异，导致某些蓄电池的使用寿命较短，而大大缩短串联电池组的整体使用寿命，甚至出现重大的安全事故，虽然不恰当地“促进”了电动汽车的更新换代，但是也提高了电动汽车的成本费用。当下，国内外对于电动汽车电池组充电均衡问题的研究较多，放电过程的均衡研究相对较少，本文在现阶段充放电均衡问题研究的基础上，进行分流均衡的充放电方案的尝试与研究。

2. 内容及意义

（1）内容

本文进行的电池组串联状态下的充放电研究采用铅酸蓄电池，此选择有其优点：首先，铅酸蓄电池各项技术成熟，成本低；其次本文认为铅酸蓄电池提高的空间比较可观。实验内容为：通过对试验过程中的实验数据进行统计，建立电池组充放电的模型，将模型按照充放电均衡控制原则进行模拟试验，最终得到较为适合的充放电均衡点。

（2）意义

电动汽车的普及具有深远意义，电动车能源管理问题已是制约其普及应用的关键技术之一，电动汽车串联电池组充放电均衡问题就显得尤为重要，急待解决，还有就是均衡控制系统芯片SOC的开发，直接制约着电动汽车的开发成本的降低。国内外对电动汽车电池组的充电均衡问题已有较长时间的研究，而且已取得一定的研究成果，对于电动汽车电池组放电均衡问题的研究还偏少，存在的问题也较多，本文将电池组的放电均衡问题与充电均衡问题相结合，探究其整体的均衡控制方法及策略，对于降低电动汽车的制造成本和电池使用寿命的延长有着重要意义。

表1　

二、铅酸蓄电池工作原理及充放电特征

1. 工作原理

铅酸蓄电池是利用二氧化铅（正、负电极）和硫酸（电解液）之间可逆的氧化还原反应产生负离子（e）的过程来完成供电的，其总反应化学式为：

和

充电过程中，硫酸铅在电池的两极分别发生还原反应，生成二氧化铅和铅，电解液中的硫酸浓度上升；放电过程中，硫酸铅在电池的两极（正极的二氧化铅和负极的铅）分别发生氧化反应，生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度下降。正负两极的反应化学式分别为：

负极电极板的反应化学式为：

和

正极电极板的反应化学式为：

和

2. 充放电基本特征

（1）铅酸蓄电池充电的特征：

充电初期，电极极板内部活性物质孔隙内生成的硫酸浓度急速上升，扩散速度赶不上生成的速度，因此电池的电势升高，此时电极极板的活性物质发生还原反应，生成二氧化铅和海绵状铅，在端电压变化曲线中的表现就是曲线的曲率较大。

充电中期，电势增高幅度减缓。

充电后期，由于蓄电池内的活性物质基本反映完全，端电压上升速度缓慢，最终区域平缓。在到达平缓段时，应及时停止充电，若在充电完成后未及时停止充电，尤其是使用电流较大的高速率充电器进行充电时，电池组内部的温度和压力就会急速升高，对电池内部造成损坏，严重时会出现电池爆炸的危险。

（2）放电过程与充电过程的原理类似，相当于是充电过程的逆过程，不再单独叙述其过程。

三、充放电均衡控制思路

电动汽车动力是由多个电池单体通过串联的方式连接而成，电池组的各个组成单体很难保证各项参数一致，在充放电的过程中就会出现个体差异，因为它们之间是串联的关系，充电和放电过程中的电流是相同的，所以，在电池组整体进行充电放电过程中，各单体之间的充电和放电总时间会存在差异，采用统一的充电和放电时间，个别单体就会出现充电未完成而断电或充电已完成仍在继续充电的现象（放电过程亦是如此），而且会随着充放电的次数的增加，个体差异增大。这种现象严重影响电池组的整体使用寿命，若能够通过恰当的措施，通过改变电池组各单体的充放电电流或其他因素，将其充放电时间进行统一，便能很好地解决充放电总时间不一致的情况，有效地延长电池组的使用寿命。

四、充放电模型及均衡点的确定

1. 模型输入输出参数的确定

本文在前人测定实验数据的基础上进行深度研究探索，从仪表监测铅酸蓄电池充放电过程中的各个参数中选择合适的参数为建模的输入和输出参数。铅酸蓄电池在充放电过程中的电流是比较稳定的，可以作为输入参数。在实际可以测量出的数据中，电池的端电压和温度最能贴切地反映出电池充放电的状态，但是若采用温度为输出参数，对于电池组周边环境的温度就要加以控制，使之维持在一个恒温的环境中，实际操作难度表较大，故选用充放电过程中的端电压作为输出参数。

2. 充放电模型的建立

电动汽车电池组充放电过程相似，在充电过程中，随着充电的进行，对于铅酸蓄电池来讲，充电电流逐渐下降对于电池的使用寿命延长有利，因此，选用型号为6-DA-150的电池，将充电电流分别设置成C、C/2、C/4的3个充电阶段，结合以自适应神经模糊推理系统建立蓄电池的充放电模型，

3. 充放电均衡点的确定

（1）充电均衡控制点的确定

（a）充电时，将蓄电池的电压浮动区间设置为14.7V～10.6V。

（b）将整个充电过程设置为3个阶段，即C、C/2、C/4（C为充电电流）。

应用已经建立好的充放电模型，进行仿真实验，进而确定蓄电池组充电均衡点。

实验过程测得数据表1。

表1数据显示：随着A值的变化，充电过程的总时间会随之变化，而且容量小的的电池组充电总时间会随着A值的增大而缩短，容量大的电池组的充电总时间会随着A值的增大而延长。在A值为0.085V时，容量大小的两组电池充电总时间基本一致，可得出结论，充电时A值取0.085，可以保证两组不同容量的电池组充电总时间一样。

因充放电过程原理近似，不做过多说明。

结语

本文进行的电动汽车充电和放电系统的均衡控制方法，其实验原型是采用铅酸电池组进行的，所以研究和设计成果适用于铅酸串联电池组，电动汽车在应用本文的设计及控制系统，有效地避免了传统电池组因充放电时间不一致和充放电电压不稳等现象，保证了电池组的使用寿命，电池组的充放电均衡问题能够得到基本解决，可普遍应用到电池组的设计及控制系统。

［1］郭炳昆，李新海，杨松青.化学电源—电池原理及制造技术［M］.长沙：中南工业大学出版社，2000.

［2］朱松然.铅酸电池技术［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［3］桂超.铅酸电池组的实时动态监控原理设计［J］.电源技术，1999，22（4）：27-29.

［4］郭亮.电动车用蓄电池充电技术的发展［J］.电池，2002，32（4）：245-246.

TM912

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