蓄電池組均衡充電控制策略的研究

湯秀芬，張 鑫，米 晨

(1.寧夏大學 物理電氣信息學院，寧夏 銀川750021;2.寧夏大學設備與物資管理處，寧夏銀川750021)

獨立光伏VRLA蓄電池儲能系統是由多個單體電池串聯而成，由于環境溫度、自放電率差異等原因，通過多次充放電循環之后，組成電池組的各單體電池的內阻、容量等參數的不一致性，嚴重影響蓄電池的使用壽命和效能以及系統的可靠性。因此，分析電池過早損壞的原因，以便采用正確的使用和管理方法，延長電池組的使用壽命，成了研究光伏系統儲能技術重要課題之一。

1 使用中電池參數的不一致性的影響分析

電池參數的不一致性是指同一型號規格的電池的電壓、內阻、容量等參數存在差別。

1.1 充電接受能力與過充電的影響

1967年美國人J.A.MAS在研究蓄電池能夠接受的最大充電電流和充電電流曲線時找出了蓄電池快速充電過程中析氣的原因和快速充電的一些基本規律［1］。由圖1中可知，產生大量析氣現象不僅出現在電池充電的后期，在充電的任一時間里，只要充電電流大于當時可接受電流，就會出現“過充電”現象。

式中，I為在充電過程中某一時刻電池的充電可接受電流;I0為開始充電(f=0)時電池的充電可接受電流;α為充電可按受電流衰減常數。

如果充電過程始終保持可接受的充電電流，則電池的容量由式(2)求出:

由式(2)得:

圖1 蓄電池充電特性曲線

由式(3)可知，對于充電可接受電流衰減常數α基本相同的同一型號電池，容量低的電池充電可接受電流小;某一個電池的實際容量下降時，其充電可接受電流也將減?。?］。

過充電所產生的大量氣泡會對極板微孔造成壓力，使極板活性物質容易脫落;電解液因析氣而水分減少，其密度增大，液面下降，使得電池的電解液密度過高，極板因液面過低而外露氧化，這均使極板容易硫化，使用壽命縮短。

1.2 電池過放電的影響

電池過放電時，其端電壓急劇下降，并易使極板上生成粗晶粒的硫酸鉛?？梢?，過放電同樣會使電池容量降低，影響其使用壽命。由于終止電壓監測的及時性和可靠性問題，從而使得電池能量管理系統很難實現及時準確的終止放電控制［3］，因此，電池組中容量低的電池過放電問題難以避免，電池組中電池容量差距越大，容量低的電池過放電就會越嚴重。

1.3 電池組中各電池容量不一致的影響

如前所述，組成電池組的各電池的內阻、容量等參數的不一致性，會使電池組中容量低的電池更容易過充電和過放電，從而使電池組陷入電池極板硫化加劇、容量差距進一步擴大的惡性循環之中。這不僅縮短了電池使用壽命，還會因為電池極板硫化而使其內阻增大和有效活性物質減少，從而使電池組充放電能量轉換效率、輸出功率下降［4-5］。

因此，在電池組中加上最優的均衡電路，實現各單體電池在充放電過程中保持一致，最大限度發揮蓄電池的效用，延長電池組循環使用壽命，具有十分重要的意義。

2 電池組均衡控制方案

2.1 均衡充電控制系統結構

均衡充電控制系統拓撲結構如圖2所示，整個控制系統由充電機、均衡管理電路以及串聯電池組三部分構成［6］。

在充電過程中，充電機根據不同的充電狀態要求輸出一個給定的充電電流ic，可以等效為一個受控恒流源。電池組由多個單體電池串聯而成，每個單體電池的充電電流為ibi(i為單體電池編號)，受其對應的均衡單元控制，單體電池的輸出電壓為Ubi。均衡管理是整個均衡充電控制系統的核心，監測電池組中所有單體的電壓、電流和溫度等狀態信息，并根據電池組的荷電狀態(SOC)決定充電機的充電狀態及充電電流。當由于不一致而出現單體電池電壓不均衡時，電池管理中的均衡控制電路通過一定的控制策略獨立的調節單體電池的充電電流，適當的增加電壓較低的單體電池的充電電流，適當的減小電壓較高的單體電池的充電電流，使充電過程中所有單體電池的電壓更加一致，從而均衡的對整組電池進行充電，提高電池組的性能和循環壽命。

圖2 均衡充電控制系統結構框圖

2.2 均衡控制電路結構比較分析

目前蓄電池組均衡電路控制方法中，根據均衡電路能量的消耗情況主要分為能量耗散型和能量非耗散型兩種［7］。能量耗散型均衡電路主要通過在蓄電池組中各單體電池上并聯分流電阻實現，該均衡電路結構簡單，在電池組充電過程中便可實現均衡，實現方式主要通過分流來消耗高容量單體電池的能量，因而該方法主要存在能量浪費及散熱問題。能量非耗散型均衡電路是利用電容、電感等儲能元件，作為能量過渡，可以將能量從容量較高的單體轉移到容量較低的單體，實現電池組內的均衡，減小不一致性。其主要特點為能量利用率較高或幾乎不消耗能量，在蓄電池組充放電過程中能實現動態均衡。非耗散型均衡電路結構比耗散型復雜些。

2.3 獨立均衡分流電路工作原理

通過研究現有非耗散型均衡方案的優缺點，基于獨立光伏系統的需要，以及成本的考慮，設計一種基于單片機控制、采用PWM分流法對電池的外部參數進行實時的檢測和分析，實現均衡充電的電路。通過該電路克服電池間的不一致性，延長電池組的使用壽命，提高電池組使用效率。

如圖3所示，每個獨立分流模塊由一個功率開關管Q1，一個儲能電感L1和一個續流二極管D1組成。每個分流模塊兩端分別各接一節單體電池，形成一個非隔離式半橋變換電路。分流功率開關MOSFET的Q1觸發與否，主要看與它相對應電池的電壓與其下面電池電壓的關系，比它高就觸發，反之不觸發。假設電池組中電壓不均衡，如UB1＞UB2，這時MOSFET的Q1被觸發開通時，電能儲存在L1中;當Q1關斷時，L1為了續流，構成D1、L1、B2回路，這樣電感中儲存的能量就轉移到B2中，即實現了能量從B1到B2的轉移。電池組末端電池電壓與第一個電池電壓作比較，高則讓其對應的開關觸發，使其能量通過反激式變壓器回到充電總線上。通過分析可知，能量似乎只在相鄰電池間傳遞。實際上，能量的傳遞趨勢總是由電壓最高的電池傳遞到電壓最低的電池上，只不過這一過程是通過其他電池間接傳遞的，但效果相同。為使儲存在電感中的能量在一個開關周期內不累積，應使 D≤0.5［8］。

圖3 均衡分流電路

2.4 電池組均衡控制策略

均衡系統結構框圖如圖4所示。電池組是由多節單體電池串聯而成，每相鄰的兩節單體n和n+1都連接著一個均衡分流模塊，因此對于包含n節單體的串聯電池組而言共需要n－1個均衡模塊，為給電池組末端的電池提供能量轉移回路采用了反激變換器。控制MOSFET來實現對電池的恒流充電、恒壓充電以及浮充，將能量從電壓高的電池轉移到電壓低的電池，從而實現均衡充電。通過實驗驗證，為了達到更好的均衡效果，在充電開始瞬間立即開啟電壓均衡模塊，使所有單體電池電壓均衡到同一水平，然后再讓所有單體電壓以同一斜率上升直至電池容量達到最大［9］。

圖4 均衡控制系統框圖

3 實驗與結果討論

3.1 實驗的設計

采用普通三段式充電器及恒流源負載對電池進行充放電實驗，電池組充電后端電壓的測量采用4位半數字電壓表，循環次數計數采用南京盛普公司的SP100B多功能計數器。搭建相應電路將充電器、恒流源負載及計數器等組成自動充放電系統，循環過程中循環次數、電壓數據的記錄采用人工記錄方式，從第一次循環開始每一次循環對數據做一次記錄。實驗所用VRLA電池采用浙江恒基電源有限公司的型號為6-DZM-10的12 V 10 Ah電池，使用期均有半年左右。

將8只12 V 10 Ah的電池分成兩組，第一組電池組不加均衡電路，第二組電池組安裝了自制的均衡控制電路，做出兩組電池的充電后端電壓-循環次數曲線進行分析。普通三段式充電法的恒流充電電流是1.8 A，恒流到恒壓的轉換電壓是57.2 V，浮充充電電壓是55.2 V，放電均為5 A恒流放電。

圖5 無均衡電池端電壓

圖6 均衡電池端電壓

3.2 實驗結果與討論

如圖5和圖6所示:第一組電池組的電池最大電壓差△U有明顯的增大趨勢，而第二電池組電池最大電壓差在第7次循環后趨向平穩，且最大電壓差△U很小。表明無均衡電路的電池組，其一致性會隨循環次數增加而加劇;而安裝了均衡電路的電池組很快能使差異大幅縮小，且使一致性始終保持很好的狀態。

由于串聯電池組中單體電池的性能不一致，其電壓并不相同。當充電時，由于沒有均衡控制，所有電池組的充電電流完全相同，從而使單體電池電壓差異逐漸增大。在充電后期，單體電池電壓出現嚴重不均衡，部分單體電池嚴重過充電，而另外一部分單體電池則嚴重欠充電。

采用本文所提出的均衡充電控制策略后，雖然在開始充電階段各個單體電池之間存在明顯的不均衡，但由于均衡控制電路能根據電池組的均衡狀況修正每個電池組的充電電流，隨著充電過程的進行，單體電池電壓差異逐漸縮小，在充電后期達到較好的均衡效果，從而能夠提高電池組的性能和循環壽命。

4 結論

本文分析了單體電池性能不一致對電池組循環壽命的影響，指出它是電池組提前失效的主要原因。通過研究電池組均衡充電控制電路結構及電路模型，比較幾種均衡充電的方法，分析其不足，提出了一種較為理想的均衡方法，通過均衡PWM分流模塊實現單體電池能量的內部相互轉移，最終在充電后期處于同一充電深度，解決了單體電池的過充和不一致性問題，提高了電池組的使用壽命。用兩組12 V/10 Ah鉛酸蓄電池組進行了對比測試，實驗結果證明了該策略的有效性。

［1］劉玉杰，姜印平，孟詳適.關于快速脈沖充電技術的研究［J］.蓄電池，2004，02:71-73.

［2］李 檳，陳全世.混合動力電動汽車中電池特性的研究［J］.汽車技術，1999，10:11-14.

［3］萬沛霖.電動汽車的關健技術［M］.北京:北京理工大學出版社，1998.

［4］麻友良，陳全世.鉛酸電池的不一致性與均衡充電的研究［J］.武漢科技大學學報(自然科學版)，2001，35(12):48-51.

［5］宮學庚，齊鉑金.電動車電池均衡控制的建模與分析［J］.電池，2005，35(1):37-38.

［6］徐順剛，王金平，許建平.一種延長電動汽車蓄電池壽命的均衡充電控制策略［J］.中國機電工程學報，2012，32(3):43-48.

［7］雷 娟，蔣新華，解晶瑩.鋰離子電池組均衡電路的發展現狀［J］.電池，2007，37(1):62-63.

［8］王明渝，俞 靜.電池組均衡充電電路研究［J］.電氣應用［J］.2007，26(8):46-47.

［9］王 鶴，劉東社，楊 宏.鉛酸蓄電池的過充電保護與溫度補償［J］.西安交通大學學報，2001，24(1):310-312.