一種鋰電池組均衡管理方案設計

張友近

（西南石油大學機電工程學院，四川 成都610500）

鋰電池組通常由若干單體鋰電池串聯組成。由于單體鋰電池在電壓、容量、及內阻等方面不盡相同[1]，在成組使用時，連續的充放電循環將導致鋰電池組內某些單體電池的容量迅速衰減，而電池組的容量由單體電池的最小容量決定，因此單體電池的不一致性將導致鋰電池組的使用壽命縮短[2]。因此必須均衡管理鋰電池組的充放電。

目前關于鋰電池組均衡管理的研究中，PARKHS等[3]利用多副邊隔離變壓器來均衡鋰電池組的充電，該方法避免了電流過大對電池組造成損害，但缺點在于變壓器的副邊數導致調整電池數量的靈活性有限。黎繼剛等[4]采用一種奇偶均衡電路，該電路避免了電能的單一流向，提高了均衡效率，但缺點是電能的轉移方向被奇偶均衡模塊固定，靈活性較低。

針對上述均衡方式的優缺點，設計一種基于功率電感的均衡管理方案。該方案采用模塊化設計[5]，可擴展性好，以功率電感作為能量傳遞媒介構建雙向均衡電路，以鋰電池單體的開路電壓和工作電壓作為均衡變量，實現鋰電池組充電及放電過程的動態均衡。

1 基于功率電感的均衡電路結構

基于功率電感的均衡電路結構如圖1所示。圖1中，L1為功率電感，R1為L1的消磁電阻；MOSFET用于控制均衡旁路的開啟和關閉；Z1、Z2為體二極管，用于構成放電回路。

圖1 均衡電路圖

以圖中Cell1和Cell2為例，均衡開始時，檢測Cell1和Cell2的電壓值，判定是否滿足均衡條件。假設滿足均衡條件且有U2＞U1，開啟均衡后，整個均衡過程分為Cell2放電、Cell1充電和電感消磁三個階段。

Cell2放電：控制系統令MOSB閉合，Cell2、L1和MOSB構成放電回路，Cell2開始對L1放電，將部分電能儲存在L1中。

Cell1充電：控制系統令MOSB斷開，MOSA閉合，Cell1、L1和MOSA構成充電回路。此時，L1對Cell1進行放電。隨著放電電流的減小，電感兩端電壓不足以抵消Cell1電壓與MOSA正向導通電壓，L1放電結束。

電感消磁：L1放電結束時，仍有部分能量殘余，此時L1、R1、MOSA以及Cell1構成一個RLC諧振電路，將電感L1中的剩磁耗散，保證電路參數穩定。

2 均衡控制策略

均衡控制的流程是：首先識別鋰電池組工作狀態，再根據制定的均衡變量和均衡指標來判定不一致性，若滿足均衡條件則開啟均衡，同時不斷監測電池狀態，滿足停止條件后停止均衡[6]。針對鋰電池組處于充電、放電工作階段分別制定了相應的控制策略，

2.1 充電階段均衡

充電階段均衡目的在于最大化利用電池組的容量，避免電壓較高的電池單體提前截止充電。當電池組的極差大于設定的閾值時，且電壓最高的電池單體與相鄰電池單體的電壓在設定的范圍內，此時按照電壓由高到低的順序依次均衡，最終使各電池單體電壓達到一致，該均衡過程為頂部均衡。

2.2 放電階段均衡

放電階段均衡目的在于最大化利用鋰電池組儲存的電能，避免電壓較低的電池提前截止放電。在電池組的電壓極差大于設定的閾值時，且電壓最低的電池單體與相鄰電池電壓均在設定的范圍內，此時按照電壓由低到高順序依次均衡，最終使各電池單體電壓達到一致，此過程為底部均衡。

3 實驗驗證

實驗采用標稱電壓3.3V，額定容量20Ah的磷酸鐵鋰電池組展開充放電均衡實驗。將均衡前后各單體電池狀態進行對比，驗證均衡方案的有效性。

3.1 充電階段均衡實驗

取5節磷酸鐵鋰電池串聯成組，以C/3(C表示電池充放電電流大小的倍率，若電池容量為2000mAh，1C表示2000mA)的電流進行恒流充電。第1次充電時不啟動均衡，當有電池單體電壓上升到3.7V時停止充電，充電過程曲線如圖2所示。

對上述磷酸鐵鋰電池組進行放電，當有單體電池電壓降為3.0V時放電停止，擱置一段時間后，進行第2次恒流充電時啟動均衡管理，此時充電過程曲線如圖3所示。圖4為啟動均衡前后Cell1充電過程工作電壓對比曲線。圖2、圖3對比可以看出，啟動均衡后電池組中單體電池到達充電截止電壓的時間不斷后延，表明電池組充入了更多的電量。根據圖4可以計算出，啟動均衡后Cell1的可充入容量增加了至少1.4Ah以上。

圖2 啟用均衡前鋰電池組充電曲線

圖3 啟用均衡后鋰電池組充電曲線

圖4 啟用均衡前后Cell1充電對比曲線

圖5 啟用均衡前鋰電池組放電曲線

3.2 放電階段均衡實驗

再取5節磷酸鐵鋰電池串聯成組，充滿電后以1C電流恒流放電至有單體電池電壓降為2.7V時截止，放電曲線如圖5所示。重新充滿后，啟動均衡管理后仍以1C電流恒流放電至2.7V時截止，放電曲線如圖6所示。圖7為啟動均衡前后Cell3放電工作電壓對比曲線。從圖5、圖6對比可以看出，啟動均衡后電池單體放電到截止的時間不斷后延，表示電池組放出了更多的電能。根據圖7可以計算出，啟動均衡后Cell3的可用容量增加接近6.2%。由此可見，均衡系統改善了電池組不一致性，提高了電池組容量利用率。

圖6 啟用均衡后鋰電池組放電曲線

圖7 啟用均衡前后Cell3放電對比曲線

4 結論

對磷酸鐵鋰電池組進行均衡管理，改善其使用過程中的不一致性，提高了電池組容量利用率，充分發揮每節電池單體的性能，同時調整了性能較差電池充放電工況，延長電池組使用壽命。本文以功率電感作為能量傳遞媒介構建雙向均衡電路，建立適用于電池充放電階段的均衡管理策略。最終實驗證明，在鋰電池組充電和放電模式下均衡管理方案行之有效。

［1］王震坡，孫逢春，張承寧.電動汽車動力蓄電池組不一致性統計分析[J].電源技術,2003,27(5)：438-442.

［2］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(1)：62-63.

［3］PARK H S,KIM C E,MOON G W,et al.Charge equalization with series coupling of multiple primary windings for hybrid electric vehicle Li-ion battery system[J].IEEE,2007(6):266-271.

［4］黎繼剛，張寅孩，林俊，等.基于DSP的動力鋰離子動力電池奇偶均衡充電電路[J].工業控制計算機，2009,22(7)：90-92.

［5］魏學哲,孫澤昌,鄒廣楠.模塊化的HEV鋰離子電池管理系統[J].汽車工程,2004,26(6):629-631.DOI:10.3321/j.issn:1000-680X.2004.06.001.

［6］王飛,李波.基于Cuk變換器的電池均衡控制策略分析[J].汽車科技,2008(3):36-38.