鋰電池快速充電及二次均衡研究

焦立春 霍彥明

摘 要：現在制約電動汽車行業的迅速發展的關鍵問題是電池問題，很多國家在加強對電池的研究，包括電池本身及其充電方法。本文主要介紹的是鋰離子電池組的快速充電及在充電過程中對電池組電壓進行均衡的研究，通過分析快速充電中極化電壓的變化及溫度的變化，從而發現電池組電壓會出現不均衡現象，進而采集開路電壓并使用模糊控制的策略來改善不均衡現象。

關鍵詞：電動汽車；快速充電；均衡

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.190

1 變電流間歇快速充電方法

間歇充電法指的是鋰離子電池在充電時加入了小段的停歇時間，用以消除電池的極化現象，起到了提高充電效率的作用。具體的充電過程為：在充電的初期，采用較大電流給電池進行充電，此時能夠可以在較短的時間內充進較多的電量，并且充電前期極化現象不明顯，電池可以接受大電流充電，當其端電壓達到預期設置的電壓值時，短暫的停止充電；接下來減小電流再次重復上一階段的充電過程，如此反復，一直到電池達到充滿的狀態。

2 充電過程中溫度及極化電壓的變化

溫度是快速充放電過程一個非常重要的問題，它直接影響到電池的充放電性能和容量性能。大的充電電流會使溫度升高的更快，溫度的不同會導致每個電池的內部化學反應激烈程度不同，不同充電倍率下溫度的變化如圖1所示，久而久之電池從本質上產生差距，外部特征表現為：電池容量的不同、工作電壓的不同、內阻不同等等一些問題，于是電池間會出現不均衡現象，從而影響電池的使用壽命。所謂極化現象指的是在對鋰離子電池進行充放電時，其電動勢不再處于平衡狀態，使得真實的端電壓值與實際電動勢不相等的情況。極化的種類包括歐姆極化、濃差極化、電化學極化三類，這些極化現象存在于整個充電過程中，且跟電池的內阻、電池內部化學反應有著很大的關系，在停充的時間段內極化現象會減弱，端電壓會有明顯的變化，如圖2所示，不同電池經過反復使用后造成電壓不一致，也會使電池之間出現不均衡現象。改善電池快速充電過程中的不均衡問題對電動汽車的發展極其重要。

3 均衡電路及均衡策略

為了改善和平衡電池組各個單體電池之間的電壓差異，采用電感均衡拓撲電路來使電量在電池組之間實現轉移從而達到均衡的效果，它的工作原理是當電池單體端電壓比整個電池組的平均點高，需要進行降壓時，將MOSFET打開，電池對電感進行能量轉移，儲能電感存儲能量。電池恢復平均水平后，MOSFET斷開，電感與肖特基二極管、其它電池構成放電回路，電感將儲存的能量進行釋放，一部分能量回充入其它電池，一部分能量消耗在肖特基二極管上，電路圖如圖3所示。

選取合理的均衡對象是均衡系統取得良好均衡效果的前提，均衡對象就是均衡控制的變量，用以表征電池的容量，現在選取端電壓為均衡控制對象，端電壓與電池SOC變化趨勢一致。通過實時采集電壓值，以采集到的電壓值和各個單體電壓值與電池組平均值之差作為輸入量傳送至模糊控制系統，制定模糊規則，通過模糊決策后以電流作為輸出量輸出，由模糊控制器選擇均衡電流，計算占空比，控制相應的高頻率開關器件，均衡器工作，開始對電壓較高的單體電池進行一定時間的分流。在充電后期極化現象嚴重，當充滿電后極化電壓減小時，電壓變化較大，所以進行二次均衡，如果單體電壓與額定電壓差值在20mv以上時，通過相應的開關期間開啟均衡電路進行均衡，將差值控制在范圍以下，這樣就完成了充電過程中及充電過程后的兩次均衡，保證了各個單體電池之間的差異很小，從而改善了電池組內單體電池不均衡的問題，促進了電動汽車行業的發展。

4 總結

電動汽車要想得到大規模的發展，必須提高動力電池性能和使用壽命。要想使整個電池組的整體性能持續長久，在電池管理系統中增加均衡控制系統必不可少，通過改進均衡結構、優化控制策略和提高均衡效率，從而改善電池組中單體電池之間的不均衡，有效的提高電池組的使用壽命。

參考文獻：

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[4]丁修乘.電動汽車鋰離子動力電池快速充電技術研究[D].廣西：廣西科技大學，2015.

作者簡介：焦立春，女，河北人，碩士研究生，主要研究：鋰電池快速充電及均衡。