纯电动汽车动力电池组均衡充电技术研究

郭碧宝 朱里平 王梓帆

广州市交通高级技工学校 广东省广州市 510540

电动汽车用动力电池组由多个单体电池串并联而成，工作过程中，单体电池初期细微的差异在每次充放电的作用下会不断被放大，经过多次充放电循环后，单体电池的不一致性会逐渐增大，进而导致电池组容量利用率的降低和循环寿命的缩短。因此，保证动力电池组内各单体电池的一致性是提高电动汽车性能、增加续驶里程的关键。均衡充电作为解决单体电池不一致的关键技术，其通过均衡模块，对性能不一致的单体电池进行差异化充电，最终实现各单体电池间的电压、容量等状态的均衡。本文分析了单体电池性能不一致在循环充放电过程中对动力电池组寿命衰减速度的影响机理，研究了串联电池组耗散型均衡充电控制系统的结构及电路模型，并推导了各单体电池的均衡电流、充电电流与电池组充电电流的关系，以此设计了串联电池组耗散型均衡充电控制系统的控制策略。

1 单体电池不一致性原理

电动汽车动力电池组为了满足容量、电压等级的要求，其成组方式包括：先串联后并联以及先并联后串联，后者如图1所示。

然而，电池生产过程中，由于材料和工艺上存在不一致，使得单体电池间会存在初期差异。由图1可知，假设单体K在电池包1中的容量最小，在放电后期，单体K会首先达到

其放电截止电压，当电池包1深度放电时，单体K很容易处于过放电状态，这就会加快单体K的衰减速度。随着充放电循环的进行，单体K与其它单体间的不一致性会逐渐增大，单体K的容量损失会提前达到额定容量的20%，由此加速整个电池组的衰减速度并导致其提前失效。

2 均衡充电控制系统分析

2.1 均衡充电控制系统结构

传统的动力电池组充电方式包括两部分，首先采用恒流充电，当达到截止电压后采用恒压充电，最后，采用均衡充电，其中，常用均衡充电控制系统结构如图2所示，该系统由充电机、单体电池管理模块、单体电池和单体电池均衡充电控制模块构成。

在均衡充电过程中，系统根据电池组不同的充电状态，由充电机向均衡充电控制系统输出电流 ；由各均衡充电控制模块监测各单体电池的电压、电流等状态，并将各单体的工作状态反馈给充电机，依次调节充电机的充电状态及输出电流；同时，均衡充电控制模块通过相应的控制策略调节各单体的充电电流使所有单体均衡地进行充电。常见的均衡充电电路有耗散型和非耗散型电路，其中，耗散型均衡电路具有简单可靠的优点广泛应用于电动汽车电池管理系统中，如图3所示。

由图3可知，在第j个单体电池充电过程中，通过控制均衡开关Sj（j=1，2…，n）的开闭时间，可独立调节该单体的充电电流，其中，Sj通常采用功率MOSFET管，其电阻可忽略，则该单体的充电电流可表示为

图2 均衡充电控制系统结构

图3 串联电池组耗散型均衡充电电路

由公式（1）可知，针对不同状态，通过PWM调节Sj的开闭合时间占比，可实现各单体电池的区别性充电，保证各单体电池状态的均衡，从而消除充电过程中单体电池不一致性对电池组性能的影响。

2.2 均衡充电控制系统模型分析

对于图3所示的耗散型均衡控制电路，其第j个单体电池的均衡充电等效模型、串联电池均衡充电模型分别如图4（a）、4（b）所示，其中，Zj为第j个单体电池的特性函数，Ej为其均衡控制函数。

图4 单体电池及电池组均衡电路等效模型

由图4（a）所示，第j个单体电池的输出电压可表示为

由图4（b）所示，在串联电池组的充电过程中，ij≤I′始终成立，该电池组均衡充电控制函数可表示为

3 均衡充电控制系统的控制策略

由图2可知，均衡充电系统通过监测各单体电池的电压和充放电电流，计算其剩余容量，确定各单体的状态进而调节其充电电流至最佳值，使所有单体电池的电压、容量等参数达到一致。对于各均衡充电模块，均衡开关由脉宽调制信号控制，其占空比 可表示为

式中，U1，U2分别为均衡充电控制阈值的上限、下限。

由公式（1）可知，第j个单体电池的充电电流可表示为

在串联电池组中，由于均衡充电系统的均衡作用，通过均衡控制策略，使得各单体电池的充电电流不尽相同，可以使电池组的单体电池差异保持在合理范围内。

4 均衡充电系统充电实验及其结果

基于以上对耗散型均衡充电控制系统的分析及控制策略的设计，本文采用4个同批次的10Ah磷酸铁锂动力电池进行了均衡充电实验，恒流充电电流为0.5C，均衡电流取值为0.02C，其均衡充电曲线如图5所示，实验温度为25℃。

由图5可知，均衡充电控制系统对未达到截止电压的实验电池进行了均衡充电，其中，电池1、电池2、电池3、电池4分别均衡充电了139.8min、139.7min、146.1min、141.7min，验证了该均衡充电控制系统的可行性。

图5 单体电池均衡充电电压曲线

5 结语

本文研究了单体电池性能不一致性在循环充放电过程中对电池组衰减速度的影响机理，分析了串联电池组耗散型均衡充电控制系统的结构及其等效电路模型，设计了串联电池组耗散型均衡充电控制系统的控制策略。并在均衡充电控制系统的分析及设计的基础上，对10Ah磷酸铁锂动力电池进行了均衡充电实验，实验结果验证了该均衡充电控制系统的可行性。