電池通常需要串聯(lián)成組使用，目的是為了使其電壓、功率和能量達到一定的等級，以滿足電動汽車、儲能系統(tǒng)和直流系統(tǒng)的實際需要。但實踐中發(fā)現(xiàn)，即便電池成組前進行了嚴格的篩選和調(diào)理，串聯(lián)組成的電池組的容量、安全性及使用壽命的性能依然都遠不及單只電池，問題主要出在電池組的不一致性上。

　　電池組的不一致性來自生產(chǎn)和使用兩個方面：在生產(chǎn)上，工藝的不同以及顆粒大小、涂覆、配料、雜質(zhì)含量的不均勻都會造成電池初始性能(如容量、內(nèi)阻、充電效率以及自放電特性等)的差異性；在使用上，不同位置的電池在溫度場等方面的不同也會造成其性能的差異性。此外，由于電池之間的差異性存在“正反饋”效應，使用一段時間后，電池之間不一致性逐漸體現(xiàn)出來。為了解決這種不一致性對電池組性能的影響，需要進行電池組均衡策略研究。

　　均衡策略

　　電池組不一致性是客觀存在的，為了提高整組電池的能量和容量利用率，必須使用均衡電路實現(xiàn)對電池的均衡。串聯(lián)電池組的最大可用容量不僅與組內(nèi)所有單只電池的最大可用容量有關(guān)，還與各只電池所處的SOC密切相關(guān)。串聯(lián)成組后，電池組的最大可用容量小于等于組內(nèi)容量最小電池的容量。因此，為了實現(xiàn)電池組可用容量和能量最大化，電池組的均衡目標為：既要實現(xiàn)容量最小電池的充滿電和放完電，并要讓電池組中所有單體在充電末期都充滿電。

　　目前，業(yè)界普遍采用的均衡電路主要有兩種，能量轉(zhuǎn)移型和能量耗散型。這兩種均衡方法有各自的優(yōu)缺點：能量轉(zhuǎn)移型均衡方式可以節(jié)約電池自身的能耗，但是在能量轉(zhuǎn)移過程中，均衡電路的控制比較復雜，對變壓器的制作要求非常嚴格，成本昂貴；能量耗散型均衡電路需要將單體高出的部分能量以熱能的形式消耗掉，這就對管理系統(tǒng)的散熱有更高的要求，但由于這種方法的電路結(jié)構(gòu)簡單，只需控制放電回路的開關(guān)器件就能實現(xiàn)電池的均衡管理，因此比前一種均衡電路更具有實際推廣價值。

　　由于電池不一致性是其在使用過程中經(jīng)過長期的積累造成的，每一次循環(huán)并不會引起電池之間產(chǎn)生較大SOC差異。在常溫條件下，經(jīng)過100次100％放電深度(depth of discharge，DOD)充放電循環(huán)實驗發(fā)現(xiàn)，電池單體之間SOC最大差異不超過5％。因此，在設計均衡電路時，只需考慮均衡電路在每個循環(huán)周期能夠平衡電池小部分的容量即可。

　　基于能量耗散型均衡電路，本文提出一種改進型的均衡控制策略，即只在電池充電過程中對SOC處于滿充區(qū)間的電池單體進行放電，電池在均衡過程中耗散的是充電設備的能量，并不會影響整組電池的最大可用能量，這也是與傳統(tǒng)放電均衡最大的區(qū)別。

　　方案驗證

　　由于電池管理系統(tǒng)體積的限制，必須適當選擇放電電阻阻值和功率，防止電池在均衡過程中由于管理系統(tǒng)的溫度過高而影響其他電路的正常運行。為了防止熱失衡，電池管理系統(tǒng)內(nèi)部還采用了熱平衡管理，若管理系統(tǒng)檢測到內(nèi)部溫度超過設定閾值時，系統(tǒng)會自動切斷所有均衡放電回路，等內(nèi)部溫度正常時再次啟動均衡。

　　實驗電池組由8只20Ah的磷酸亞鐵鋰電池單體串聯(lián)組成，實驗設備包括一臺電池測試設備、電池管理系統(tǒng)和監(jiān)控上位機（圖1）。電池測試設備可以實現(xiàn)對電池組的循環(huán)充電和放電功能，電池管理系統(tǒng)接收充放電設備的指令，其中包括預充電、充電開始、充電結(jié)束等。上位機軟件可以實時監(jiān)控電池測試設備和電池的相關(guān)數(shù)據(jù)，并在實驗過程中存儲數(shù)據(jù)。當電池管理系統(tǒng)接收到充電結(jié)束指令時，立即記錄當前各個單體電壓，與預先設定的滿充區(qū)間作對比，若有電池處于滿充區(qū)間之外，則說明這些電池沒有充滿，并在E2PROM中記錄該電池編號。進入下一個循環(huán)時，電池管理系統(tǒng)接收到充電開始命令，立即讀取E2PROM中存儲的電池均衡標記，開始對部分電池進行均衡放電。

　　驗證實驗將電池的充電上限電壓設為3.7V，滿充區(qū)間定義為[3.55V，3.7V]，在恒壓充電階段，當電流小于3A且只需一個單體達到充電上限電壓，整組電池充電結(jié)束。

　　圖2是均衡實驗前的充電過程電壓、電流曲線，在充電末期，單體1的電壓要明顯高于其它單體電壓，且只有單體1電壓落在滿充區(qū)間上，此時整組電池的放電能量為488.96Wh。經(jīng)過25個充放電循環(huán)，電池充電曲線如圖2所示。通過對比可以明顯看出，在充電末期，圖2中電池電壓都達到預定的滿充區(qū)間范圍內(nèi)，表明此時電池已經(jīng)同時充滿，此時整組的容量為499.20Wh，整組容量較均衡前提高了2.09％，提高了整組電池能量的利用率。

　　由于工藝和工作環(huán)境等因素的影響，串聯(lián)電池組的不一致性客觀存在，在車輛的運行過程中，電池組不斷地循環(huán)進行充放電，電池組的不一致性將進一步加劇。為解決這一問題，本文提出了一種基于電池能量的均衡判據(jù)，以電池組容量和能量最大化為目標，設計了一種適用于在電池充電過程中對電池進行均衡的改進型放電均衡方法，最后通過實驗的方法驗證了其可行性。目前該方法已經(jīng)在北京環(huán)衛(wèi)車電池管理系統(tǒng)上得到實際應用，并采用主從模式對整組電池進行均衡管理，其中主板負責均衡判斷，從板則負責均衡執(zhí)行。同時電池的充電均衡方法也在進一步的驗證之中。

　　（因版面限制，文章內(nèi)容有刪減）

　　北京交通大學電氣工程學院 郭宏榆 姜久春 文鋒 溫家鵬 時瑋|文

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