锂离子电池组充电均衡电路及其均衡策略研究

2017-01-10韩峻峰龙宇舟郭毅锋潘盛辉

电源技术 2016年12期

关键词：端电压电池组差值

韩峻峰，龙宇舟，郭毅锋，潘盛辉，杨超

(1.钦州学院物理与电子工程学院，广西钦州535000；2.广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州545006)

锂离子电池组充电均衡电路及其均衡策略研究

韩峻峰1,2，龙宇舟2，郭毅锋2，潘盛辉2，杨超2

(1.钦州学院物理与电子工程学院，广西钦州535000；2.广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州545006)

为解决电池组充电不均衡问题，研究了电感对称式均衡电路，根据锂离子电池充电端电压变化特性，制定了分阶段组合式的均衡控制策略，并在此基础上制作了锂离子电池组充电均衡控制系统，成功地将电池组充电结束后端电压差距控制在30 mV之内，消除了电池组充电不均衡现象。

电池组；均衡电路；能量转移；均衡策略

在电动汽车中，大量锂离子电池单体串联成组为电动汽车提供需要的电压与功率。随着电池使用次数的增加，各个电池单体之间性能差异越来越明显，电池单体之间出现不均衡现象，电池组供电能力下降。

为了解决这一问题，本文对充电均衡电路及其均衡策略展开了研究，设计了分阶段组合式的均衡控制策略，制作了电池组充电均衡控制系统，进行了充电均衡实验，检验了电池组充电均衡控制系统的均衡效果。

1 电池组均衡电路

电池组中各个电池单体荷电状态相等，则认定电池单体之间实现了均衡[1]。电池荷电状态与电池端电压存在一定比例关系，因此可以通过测量电池端电压来反映电池荷电状态的情况，从而判断电池单体之间均衡情况。

本文选用了电感对称式均衡电路在充电过程中对锂离子电池组进行均衡控制[2－4]，如图1所示。该均衡电路中，每一块电池配备一个均衡模块，每一个均衡模块由一个储能电感、一个功率开关管MOSFET、一个肖特基二极管组成，其中储能电感储存均衡过程中转移的多余能量，功率开关管MOSFET控制均衡模块通断，肖特基二级管控制均衡模块电流流动。在充电过程中，端电压高的电池单体将多余的能量通过均衡模块转移至其它电池单体中。

图1 电感对称式均衡电路

在均衡电路中，电池组上下对称分成了两部分，上下两部分的均衡模块又成左右对称。均衡控制过程中，上部分的电池向下转移多余的能量，下部分的电池向上转移多余的能量，完成电池均衡控制。

该均衡电路具备结构简单、扩展性好、易控制、成本低等优点，十分适用于电动汽车多数量电池单体串联成组的充电均衡管理。

2 电池组均衡策略

均衡电路必须结合相应的均衡策略才能对电池组进行有效的均衡控制，从而减小电池单体之间的性能差异、消除不均衡现象，实现电池组均衡管理[5－6]。

本文根据电动汽车锂离子电池充电过程端电压变化特性，提出了分阶段组合式的均衡控制策略，结合选用的电感对称式均衡电路对电池组充电过程进行均衡管理。

以博瑞特公司生产的额定电压为3.2 V、额定容量为10 Ah的磷酸铁锂电池作为控制对象，其充电过程中端电压与电池剩余容量(SOC)变化特性如图2所示。

图2 磷酸铁锂电池充电端电压变化特性

电池充电结束至长时间静置后，由于电池端电压的回弹特性[7]，电池端电压会出现新的细微变化，如图3所示。

图3 磷酸铁锂电池端电压回弹情况

从图2、图3可知，锂离子电池端电压从电压下限值上升至额定电压段，端电压变化剧烈；额定电压上升至电压上限值段，端电压变化平缓；停止充电至长时间静置后，端电压略微下降。

为了不增加过多充电时间进行均衡控制，同时又实现良好的均衡控制效果，本文设计了两段式均衡控制策略：(1)快速均衡阶段；(2)均衡修正阶段。

2.1 快速均衡阶段

由磷酸铁锂电池充电端电压变化特性可知，在电压下限值至额定电压段，电压上升速度快，电压值大幅上升，因此在该阶段电池单体端电压容易出现幅值较大的不均衡现象，若在该阶段设置一个较小的均衡差值进行均衡控制，则均衡电路将频繁开启；在额定电压至电压上限值段，电压上升速度相对缓慢，电压值逐渐上升，因此在该阶段电池单体端电压容易出现幅值较小的不均衡现象，若在该阶段设置一个较大的均衡差值进行均衡控制，则均衡电路将很少开启，甚至不开启。为了不增加过多均衡时间，同时取得良好均衡效果，本文将电池端电压划分为两个阶段：初始值至额定电压阶段、额定电压至电压上限值阶段，分别对这两个阶段设置两个不同的端电压差值进行均衡控制。

初始值至额定电压阶段，端电压变化剧烈，各个电池单体端电压差异大，设定一个较大的端电压差值进行均衡控制，可以确保不消耗过多充电时间情况下，初步减小电池单体端电压差距，实现电池的初步均衡。

额定电压至电压上限值阶段，端电压变化平缓，各个电池单体端电压差异较小，若继续使用较大端电压差值进行均衡控制，则均衡模块将较少开启，导致均衡效果欠佳。因此在该阶段选用一个较小的端电压差值进行均衡控制，可以进一步减小电池单体端电压差距，实现电池的进一步均衡。

快速均衡阶段的均衡控制策略如图4所示。

图4 快速均衡阶段均衡控制策略

2.2 均衡修正阶段

经过快速均衡阶段，锂离子电池端电压充电至电压上限值，电池停止充电进入静置状态。经过长时间静置后，由于电池端电压回弹特性，电池端电压将出现新的变化，很可能导致原本均衡的电池端电压出现新的不均衡现象。因此本文设计在充电停止后，引入均衡修正阶段进行电池端电压的修正，消除电池端电压回弹特性带来的不均衡现象。

因为均衡修正阶段电池端电压变化量不大，所以延续使用快速均衡阶段额定电压至电压上限值阶段的端电压均衡差值(=30 mV)对电池进行均衡控制，直至电池单体端电压差距控制在30 mV之内，均衡修正阶段完成，同时整个电池组充电均衡控制过程也完成。

快速均衡阶段与均衡修正阶段共同构成了充电过程中的均衡管理，整个过程如图5所示。

图5 整个均衡控制过程

3 实验结果与分析

本文利用电池端电压采集系统、均衡电路驱动与控制系统，结合电感对称式均衡电路及其均衡策略构成了电池组充电均衡控制系统，如图6所示。应用该系统进行电池组充电均衡控制实验，检验均衡效果。

图6 电池组充电均衡控制系统

3.1 实验结果与分析(一)

分别对50次不带均衡控制系统的充电实验与50次带有均衡控制系统的充电实验随机抽取4组实验结果，然后将结果进行绘图，如图7所示。

图7 不带均衡控制系统4个电池单体端电压与差值

图8 带有均衡控制系统快速均衡阶段4个电池单体端电压与差值

将不带均衡控制系统充电结果图7与带有均衡控制系统快速均衡阶段充电结果图8对比，可见本文设计的充电均衡控制系统使充电过程中4个电池单体端电压差距缩小，电压差值变化幅度减小。

通过均衡修正阶段结果图9可见，快速均衡阶段结束后经过均衡修正，4个电池单体电压差距得到了进一步的缩小，电压差值控制在30 mV之内，4个电池单体达到了均衡控制策略的最终要求，体现了充电均衡控制系统的良好均衡效果。

图9 均衡修正阶段4个电池单体端电压与差值

3.2 实验结果与分析(二)

从记录的50次不带均衡控制系统的充电实验与50次带有均衡控制系统的充电实验结果中分别计算初始值～额定电压、额定电压～充电电压上限值两阶段的电池单体端电压差值的平均值，再求得两阶段端电压差值平均值的差值，检验充电均衡控制系统是否减小了端电压差值，分析结果如表1所示。

表1 充电阶段端电压差值平均值

通过表1可见带有均衡控制系统充电的电池端电压差值减少量明显高于不带均衡控制系统充电的电池端电压差值减少量，体现了充电均衡控制系统良好的均衡效果。

3.3 实验结果与分析(三)

从记录的50次不带均衡控制系统的充电实验与50次带有均衡控制系统的充电实验结果中，统计每一次不带均衡控制系统充电实验与带有均衡控制系统充电实验的端电压差值＜100 mV、＜90 mV、＜80 mV、＜70 mV、＜60 mV、＜50 mV、＜40 mV、＜30 mV、＜20 mV、＜10 mV的个数。然后计算每一次每个范围端电压差值个数占该次整个充电实验采样个数的百分比。接着计算50次实验每个范围端电压差值的平均百分比。最后将带有均衡控制系统每个范围的端电压差值平均百分比减去不带均衡控制系统充电实验每个范围的端电压差值平均百分比，求得两者的差值。结果如表2所示。

每个端电压差值范围的平均百分比，表示了相应充电实验该端电压差值范围占统计的所有采样点的平均比重，例如带有均衡控制充电端电压差值＜100 mV的平均百分比为76.59%，若该实验采样点有100个，则有近77个采样点端电压差值小于100 mV。

电池单体较小端电压差值的平均百分比越大，则说明均衡效果越好。通过表2可见，带有均衡控制系统充电每个端电压差值范围的平均百分比都比不带均衡控制系统充电的端电压差值平均百分比要高，则说明在均衡控制系统充电下，电池单体端电压差值得到有效减小，展示了电池组充电均衡控制系统良好的均衡效果。

表2 端电压差值平均百分比分布情况

4 结论

本文为解决电池组充电过程电池单体不均衡问题，对电池组充电均衡电路及其均衡策略展开了研究，设计了以电池端电压为控制对象、以电感对称式均衡电路与分阶段组合式均衡控制策略为基础的电池组充电均衡控制系统。该系统具备结构简单、易扩展、易控制、成本低等优点。通过大量充电均衡实验，检验了该系统良好的均衡效果，为解决电池组充电不均衡问题提供了技术支持。

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图4 离子电导率与温度的关系曲线图

采用恒电流间歇滴定技术(GITT)对固态电解质膜在各种脱嵌状态下的锂离子扩散系数进行了测定，结果如图5。从图5知，在3.60、3.95、4.18 V时，固态电解质和液态电解液组成的锂离子电池的锂离子扩散系数分别为 4.65×10－10、0.38×10－10、0.53×10－10和 5.80×10－10、0.57×10－10、0.70× 10－10cm2·s－1。虽然所制备的固态电解质电池的离子扩散系数与液态电解液电池相比在各种状态下离子扩散系数都稍低，但基本还处于一个数量级上；还可看出，在接近全脱和全嵌入态时差异大些，处于中间脱嵌状态时，这种差别较小。测试结果还表明，在不同的嵌脱电位下，锂离子的扩散性能存在差异。

图5 固态电解质LGPS和LSiGPS的离子扩散系数

3 结论

LSiGPS具有四方结构；在－40、25、50℃等较宽广的温度范围内，这种固态电解质离子电导率(7.13×10－4、6.57×10－3、2.21×10－2S·cm－1)和液态电解液有相近似的离子电导率(8.03×10－4、6.72×10－3、2.55×10－2S·cm－1)；在锂离子电池的电化学窗口内，固态电解质组成的锂离子电池的锂离子扩散系数(4.65×10－10、0.38×10－10、0.53×10－10)和液态电解液组成的锂离子电池的离子扩散系数 (5.80×10－10、0.57×10－10、0.70×10－10cm2·s－1)基本处于一个数量级；LSiGPS固态电解质具有和通用聚烯烃膜相近似的充放电性。

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Research of charging equalization circuit and equilibrium strategy for Li-ion battery series

In order to solve the problem of charging disequilibrium for battery series, the symmetric inductance equalization circuit was studied.The equilibrium strategy in different stages was made by the charging rules of the terminal voltage for Li-ion battery series.Then the charging equalization control system for Li-ion battery series was done based on this.As a result,the disparity of the terminal voltage of the charging equalizationg control system was successfully commanded within 30 mV,and the charging disequilibrium phenomenon was removed as well.

battery series;equalization circuit;energy transfer;equilibrium strategy

TM912

1002-087X(2016)12-2439-05