以电池剩余电量为基准均衡充放电策略

孙筱琳

摘  要：电池是移动能源，其对于电池的能量密度、体积、充放电特性等都有着极高的要求。锂离子电池是一种良好的能量电池，现今被广泛应用于手机、笔记本电脑等移动设备中，但是由于其价格昂贵，因此在将其用作动力电池时多采用的是众多锂离子电池串并联形成电池组的方式。文章在分析锂离子电池组充电特性的基础上提出了一种基于锂离子电池剩余容量估计的锂离子电池组充放电均衡策略，在提高充放电效率的同时增强锂离子电池组的使用寿命。

关键词：锂离子电池组;充放电特性;均衡控制

中图分类号：TM912        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）20-0124-02

Abstract： Battery is a kind of mobile energy， which has high requirements for energy density， volume， charge and discharge characteristics and so on. Lithium-ion battery is a kind of good energy battery， which is widely used in mobile devices such as mobile phones， notebook computers and so on. However， because of its high price， many lithium-ion batteries are often used as power batteries in series and parallel to form battery packs. In this paper， based on the analysis of the charging characteristics of lithium-ion battery pack， a charge-discharge equalization strategy based on the estimation of residual capacity of lithium-ion battery is proposed， which can not only improve the charge-discharge efficiency， but also can enhance the service life of lithium-ion battery pack.

Keywords： lithium-ion battery pack; charge and discharge characteristics; equalization control

前言

動力电池是新能源产业的核心之一，高性能的动力电池采用锂离子电池所组成，单一大容量锂电池的成本较高，因此在电动汽车上所使用的锂电池采用的是单一小容量的锂电池串并联而成，通过对所组成的电池组进行控制优化实现对于锂电池的高效利用。但是由于单一锂电池的性能差异其在充放电的过程中存在着电池容量和电荷状态不均衡的问题，而这一不均衡的问题将随着充放电次数的增多而加剧。为解决这一问题本文提出了基于锂电池剩余电量估计的均衡控制策略，用以增强电池的充放电性能，提高电池的使用寿命。

1 以电池剩余电量为基准均衡充放电策略特点

本文所介绍的以电池剩余电量为基准均衡充放电策略其核心在于控制电池在充放电状态下的剩余电量，通过在电池中应用此均衡策略目的在于确保锂电池在充放电的状态下保持充满和放空的一致性，避免在充放电的过程中出现过充或是少充的问题，以电池剩余电量为基准均衡充放电策略的特点在于提高了充电的均衡性，同时此策有效减少了电池在充放电状态下电荷的转移量，从而使得充放电损耗得到了极大降低，提高了锂电池的使用寿命。

2 以电池剩余电量为基准均衡充放电策略的原理

2.1 以电池剩余电量为基准均衡充放电均衡电路

本以电池剩余电量为基准均衡充放电策略利用了一种电感储能均衡电路，该电路的结构如下图1所示，从图1中可以看出该均衡电路所使用的模块主要包含了两个MOSFET和一个电感。此电路中所含有的MOSFET在关断时受到此电路中所含有的寄生二极管的影响无法双向阻隔电流，而是只能阻隔单方向上的电流。借助于MOSFET控制电感的方式可以实现对于单体电池之间的电量迁转.在图1中，利用PWM信号对其中的开关S1和S3并关闭其他的开关将能够使得单体电池B1的电量向电池B2输送，其中在每个PWM信号的周期内电量的输送将被分为4个区间。在第一个区段内，S1处于接通状态从而控制单体电池BI向电路中的电感L1充电，并以施加在电池端的电压、电感值等参数完成了一个周期内电池内电荷转移量的计算公式，电荷转移量和电压成正比、和电感成反比，为确保电感能够发挥出最大的性能需要设定合适的占空比。在第二个区段内，S1开关断开则电池B1将不再向电感L1内充电，在第二区段内其时间长度将比开关开、断所需要的时间大，区段二是必不可少的。如果缺少第二区段将会出现S1开关和S3开关同时闭合的问题。当S1开关和S3开关同时闭合时电池B1和B2就将发生短路，从而影响电池的充电效果。此外需要注意的是，在第二区段内为保证充放电正常需要为电感L1设置相应的放电回路用以避免其电压持续升高而烧毁。在区段3内，S3开关将导通，电路中充电完成的L1将向电池B2内充电，开关S3闭合的目的在于旁通二极管，提高电能的使用效率减少损耗。在第四区段内开关S4将断开，L1电流将沿着二极管流向电池B2中，第四区段电路在为L1放电的同时阻断了电流流回B2的道路，避免了L1所流出的电流重新返回到L1中。

2.2 以电池剩余电量为基准均衡充放电策略

串联电池组在充放电过程中将会因自身特性而产生充放电不均衡问题，这一问题随着充放电的持续进行而越发严重，并在单体电池充满或是放空时会对电池组使得使用寿命产生一定的影响。串联的电池组中某单体电池完全放空或是充满时，其他单体电池仍有一定的电量，为保护电池则不能继续向电池充电或是放电。此外，充放电过程中单体电池间不均衡且并未有电池充满时，单体电池的冲放电并不影响电池的使用寿命。因此，在动力电池充放电控制上无需时刻保持均衡，仅需保证各单体电池在同一时间完成充满或是放空即可在不影响电池使用寿命的基础上最大限度地利用电池组的容量。为提高均衡效率可以通过减少均衡控制过程中所转移电荷的总量来降低损耗，提高控制效率。

以电池剩余电量为基准均衡充放电策略主要以电池剩余电量的估计为检测目标，不同于传统的均衡策略中所使用的电压或是荷电状态等，其并不注重充放电过程中的均衡性，而将着重点放在单体电池在同一时间充满或是放空，并尽可能地减少均衡过程中的电荷的转移量，将损耗控制在较低的水平。在充电状态下，单体电池剩余电量为单体电池最大容量与初始电量的差值。而在放电状态下，单体电池剩余电量为初始电量与单体电池最小容量的差值。通过将以电池剩余电量为基准均衡充放电策略与基于SOC估计的均衡策略进行对比后发现， 以电池剩余电量为基准均衡充放电策略要比基于SOC估计的均衡策略所转移的电荷量要小得多，从而有效地减少了损耗， 以电池剩余电量为基准均衡充放电策略能够在大容量、大初始载荷的单体电池充放电均衡控制中发挥出较为良好的效果。以电池剩余电量为基准均衡充放电策略的算法是通过对比各单体电池的剩余电量并控制单体电池的剩余电量差异在所设定的范围内，均衡控制时首先确定单体电池剩余电量最大的电池作为输入电荷的单体电池，而后以此单体电池两侧电池剩余电量的平均值来确定电荷的流向，进而确定输出电荷的单体电池。这一控制策略将不断地持续直至所有电池充满或是放空。在实际的均衡控制中，均衡控制电路将通过采集各单体电池的电压、电流、温度等的参数来对单体电池的剩余電量进行估计，并以所估计的剩余电量来规划各电池电荷转移的电池对，在一个均衡周期结束后将会继续重复上述过程，通过逐渐的均衡用以确保各单体电池能够在同一时间内完成充放电作业。

以电池剩余电量为基准均衡充放电策略其最核心的部分在于估计电池的剩余容量，为估计这一参数可以采用在线容量估计法，此方法是以两个时刻单体电池的荷点状态为分子，以在这一时段内所转移的电荷量为分母完成单体电池容量的计算。

2.3 以电池剩余电量为基准均衡充放电策略的仿真

在完成了以电池剩余电量为基准均衡充放电策略的控制后，为测试该控制策略的性能采用模拟仿真的方式对其进行测算。仿真以三个单体电池串联所组的电池组为测试点，分别使用基于SOC估计策略和基于剩余电量的均衡策略进行仿真分析。通过对仿真后的数据进行分析后发现，基于SOC的估计策略能够在85s左右完成均衡控制，而基于剩余电量的均衡策略则是在315s完成均衡控制。而在均衡控制所损耗的电荷量则是基于SOC估计策略所损耗的较多，相对于基于剩余电量的均衡策略基于SOC估计策略损耗电量和电荷转移量都要高出30%以上。因此相对于来说基于剩余电量的均衡策略耗时较长可以将其应用于慢充状态，而对于快充状态则可以应用于其他均衡控制策略。

3 结束语

基于剩余电量的均衡策略其主要特点在于优化了过程控制，其核心控制点在于控制电池充电、放电完成的同时性，而对于电池组充放电过程中的实时均性并不加以关注，该策略核心在于优化均衡单体电池的电荷转移量，减少电荷的损耗。基于剩余电量的均衡策略相对于基于SOC估计的均衡控制策略等简化了控制体系，提高了电池组的使用寿命。由于基于剩余电量的均衡策略不注重电池的实时均衡性，而在于剩余电量的均衡性，因此在电池组充放电控制的过程中将会耗费更多的时间。基于剩余电量的均衡策略能够在单体大容量、大规模电池组冲方面过程中获得较好的充放电质量。

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