基于灰色理論的電動汽車充電均衡控制

高金輝，朱元培，劉 永

(河南師范大學物理與電子工程學院，河南新鄉453007)

電動汽車使用的動力電池往往是電池單體的串并聯組成的電池組。各單體鋰電池在生產制造中必然存在個體差異，而且在使用中老化程度也不一樣，若不在充電過程中采取措施，這種差異將被累積甚至擴大。長期使用必將導致各電池的容量、內阻、端電壓等參數不均衡，從而影響整個電池組的實際容量，縮短壽命，造成浪費，增大成本。

為解決以上問題，在充電過程中，只有通過某種方法，使充電完成時電池組的所有電池都能充滿電，達到均衡狀態，實現均衡控制。本文對現有充電均衡控制方法做了分析，提出一種新的基于灰色理論的充電均衡控制策略，并使用新方法進行了實驗，驗證了方法的可行性。

1 電池組充電均衡控制研究

1.1 充電均衡控制的必要性

電動汽車用鋰離子電池組通過多節鋰離子電池串聯和并聯以獲得高輸出電壓和大容量。在生產過程中，由于加工工藝等原因，同批次電池的容量和內阻都可能存在差異；使用過程中由于溫度等差異造成電池使用的不平衡；不同電池之間的放電情況存在差異等，長時間累積，將造成電池狀態的不平衡。

在對串聯電池組進行充電時，不能通過過充的方式使各單體電池達到飽和狀態。若以容量大的電池充滿為依據，必然導致容量小的電池過充電，損害電池；若以容量小的電池充滿為依據，必然導致容量大的電池欠充電，這兩種方式都不能達到均衡狀態[1]。

電動汽車電池組需要頻繁的充放電，隨著充放電次數的增多，各電池的不均衡將不斷加劇，形成惡性循環，最終造成整個電池組性能不斷下降。

1.2 已有的充電均衡控制方法

目前均衡控制的方法主要有能量耗散式、能量轉換式和能量轉移式。

能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進行放電來實現均衡。每一個電池并聯一個分流電阻，并通過開關進行控制，在充電過程中，當某個電池電壓偏高時，其分流開關閉合，電池進行分流。這種方法結構簡單，容易實現，缺點是分流電阻始終在損耗功率，能效低，而且產生較大的熱量。

能量轉換式主要使用線圈進行轉換。能量轉換法對充電電流進行均衡，充電速率很快，但在大量電池串聯充電時，需要大量的變壓器，磁場損耗大，均衡設備體積大，效率變低。

能量轉移式是利用電容或電感等儲能元件將能量進行傳遞。在充電過程中，通過微控制單元(MCU)控制開關的切換，先由電壓最高的電池向電容充電，再由電容向電壓低的電池充電，并多次重復這個過程。這種均衡電路的優點是結構簡單，體積可以做的很小，缺點是需要大量的電力電子開關器件，損耗大，需要的時間也較長[2]。

通過對以上各種均衡方法特點的比較，本文設計了一種基于灰色理論預測的變電流均衡充電策略，在電池電壓達到4.0 V時，即開始均衡控制，當到達4.2 V時充電結束，節省了大量時間，提高了效率。

2 基于灰色理論的充電均衡控制策略

2.1 基于灰色理論預測均衡充電控制

本文設計的基于灰色理論充電均衡控制主要由PC、充電機、灰色理論控制模塊、電壓檢測模塊組成，如圖1所示。系統中最重要的部分是控制模塊和電壓檢測電路。PC可以隨時顯示電池的電壓電流波形，還可以長期記錄電池的電壓和電流。

圖1 基于灰色理論充電均衡控制結構

2.2 電池電壓檢測電路

電池電壓檢測電路主要由類比數字轉換器 (ADC0804)和四路運算放大器(LM324)組成，其結構如圖2所示。

圖2 電池電壓檢測電路

該電路的主要作用是在檢測時間內及時準確測量出電池的電壓。其工作過程為：繼電器通電吸合，系統處于檢測狀態，電池電壓經過減法器，送到ADC0804，最終傳至灰色理論控制模塊。經過灰色理論控制模塊預測與查表，選取合適的電流對電池充電。檢測電路的測量范圍在2.5～5.06 V之間，分辨率為0.01 V，能夠準確測量電池電壓，充電結束時，可以使電池達到最佳狀態。

2.3 基于灰色理論的電池充電控制

鋰離子電池的充電電壓可以看作是一個非負序列，并且它的響應也相對比較平穩，因此就可以采用灰色差分型GM (1，1)模型預測電壓下一個狀態，從而能夠更加準確地掌握合適的電池充電電流，大大縮短了電池的充電時間[3-4]。灰色理論的充電均衡控制流程如圖3所示。

圖3 基于灰色理論的電池充電策略流程圖

灰色理論控制策略充電模型的電流計算公式為：

式中：V0是電池測量電壓，V；V0是灰色預測的電壓值[5-6]，V。

系統運行過程為：初始化系統，包括初始化充電機和檢測系統等。在電池電壓達到4.0 V前，系統保持恒定電流(初始值)向電池充電。當電池電壓達到4.0 V時，進入灰色理論控制狀態，系統運行灰色算法，對電池的下一狀態進行預測，并經過計算選取合適的充電電流對電池進行充電，保持TS時間后，進入下一個檢測周期。如此循環，直到電池電壓達到4.2 V時，充電結束。整個過程中電池的狀態可以由PC實時顯示并記錄，為電池組的維修及性能升級提供了準確的數據資料。

3 實驗結果

經過多次實驗，TS選取為30 s，充電效果最理想，初始電流值為0.55C，對30個電池組成的電池組進行充電實驗，充電結束各單體電池的電壓如表1所示。

充電電流的初始值為0.55C，在電池電壓達到4.0 V時，系統變為變電流充電，充電狀態如圖4所示。

由圖5可知，灰色預測充電控制的充電速度比傳統的控制策略要快，在120 min時，已經充滿；在充電末期會以緩和的速度接近充電截止電壓，不容易產生過充現象。

表1 鋰電池組充電數據

圖4 灰色充電控制策略的充電電流曲線

圖5 灰色預測式與傳統充電控制策略的電壓曲線

4 結論

本文通過對多種傳統充電均衡控制的分析研究，綜合各種方式的優缺點，提出了一種基于灰色理論的充電均衡控制策略，通過實驗證明，充電速度要比一般均衡控制有所提高，并且充電結束電壓非常均衡。整個過程的電池狀態可以實時顯示并記錄，為電池組維修及性能的升級提供了必要的資料，具有良好的發展前景。

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