解密磷酸亚铁锂电池组均衡策略

　　电池通常需要串联成组使用，目的是为了使其电压、功率和能量达到一定的等级，以满足电动汽车、储能系统和直流系统的实际需要。但实践中发现，即便电池成组前进行了严格的筛选和调理，串联组成的电池组的容量、安全性及使用寿命的性能依然都远不及单只电池，问题主要出在电池组的不一致性上。

　　电池组的不一致性来自生产和使用两个方面：在生产上，工艺的不同以及颗粒大小、涂覆、配料、杂质含量的不均匀都会造成电池初始性能(如容量、内阻、充电效率以及自放电特性等)的差异性；在使用上，不同位置的电池在温度场等方面的不同也会造成其性能的差异性。此外，由于电池之间的差异性存在“正反馈”效应，使用一段时间后，电池之间不一致性逐渐体现出来。为了解决这种不一致性对电池组性能的影响，需要进行电池组均衡策略研究。

　　均衡策略

　　电池组不一致性是客观存在的，为了提高整组电池的能量和容量利用率，必须使用均衡电路实现对电池的均衡。串联电池组的最大可用容量不仅与组内所有单只电池的最大可用容量有关，还与各只电池所处的SOC密切相关。串联成组后，电池组的最大可用容量小于等于组内容量最小电池的容量。因此，为了实现电池组可用容量和能量最大化，电池组的均衡目标为：既要实现容量最小电池的充满电和放完电，并要让电池组中所有单体在充电末期都充满电。

　　目前，业界普遍采用的均衡电路主要有两种，能量转移型和能量耗散型。这两种均衡方法有各自的优缺点：能量转移型均衡方式可以节约电池自身的能耗，但是在能量转移过程中，均衡电路的控制比较复杂，对变压器的制作要求非常严格，成本昂贵；能量耗散型均衡电路需要将单体高出的部分能量以热能的形式消耗掉，这就对管理系统的散热有更高的要求，但由于这种方法的电路结构简单，只需控制放电回路的开关器件就能实现电池的均衡管理，因此比前一种均衡电路更具有实际推广价值。

　　由于电池不一致性是其在使用过程中经过长期的积累造成的，每一次循环并不会引起电池之间产生较大SOC差异。在常温条件下，经过100次100％放电深度(depth of discharge，DOD)充放电循环实验发现，电池单体之间SOC最大差异不超过5％。因此，在设计均衡电路时，只需考虑均衡电路在每个循环周期能够平衡电池小部分的容量即可。

　　基于能量耗散型均衡电路，本文提出一种改进型的均衡控制策略，即只在电池充电过程中对SOC处于满充区间的电池单体进行放电，电池在均衡过程中耗散的是充电设备的能量，并不会影响整组电池的最大可用能量，这也是与传统放电均衡最大的区别。

　　方案验证

　　由于电池管理系统体积的限制，必须适当选择放电电阻阻值和功率，防止电池在均衡过程中由于管理系统的温度过高而影响其他电路的正常运行。为了防止热失衡，电池管理系统内部还采用了热平衡管理，若管理系统检测到内部温度超过设定阈值时，系统会自动切断所有均衡放电回路，等内部温度正常时再次启动均衡。

　　实验电池组由8只20Ah的磷酸亚铁锂电池单体串联组成，实验设备包括一台电池测试设备、电池管理系统和监控上位机（图1）。电池测试设备可以实现对电池组的循环充电和放电功能，电池管理系统接收充放电设备的指令，其中包括预充电、充电开始、充电结束等。上位机软件可以实时监控电池测试设备和电池的相关数据，并在实验过程中存储数据。当电池管理系统接收到充电结束指令时，立即记录当前各个单体电压，与预先设定的满充区间作对比，若有电池处于满充区间之外，则说明这些电池没有充满，并在E2PROM中记录该电池编号。进入下一个循环时，电池管理系统接收到充电开始命令，立即读取E2PROM中存储的电池均衡标记，开始对部分电池进行均衡放电。

　　验证实验将电池的充电上限电压设为3.7V，满充区间定义为[3.55V，3.7V]，在恒压充电阶段，当电流小于3A且只需一个单体达到充电上限电压，整组电池充电结束。

　　图2是均衡实验前的充电过程电压、电流曲线，在充电末期，单体1的电压要明显高于其它单体电压，且只有单体1电压落在满充区间上，此时整组电池的放电能量为488.96Wh。经过25个充放电循环，电池充电曲线如图2所示。通过对比可以明显看出，在充电末期，图2中电池电压都达到预定的满充区间范围内，表明此时电池已经同时充满，此时整组的容量为499.20Wh，整组容量较均衡前提高了2.09％，提高了整组电池能量的利用率。

　　由于工艺和工作环境等因素的影响，串联电池组的不一致性客观存在，在车辆的运行过程中，电池组不断地循环进行充放电，电池组的不一致性将进一步加剧。为解决这一问题，本文提出了一种基于电池能量的均衡判据，以电池组容量和能量最大化为目标，设计了一种适用于在电池充电过程中对电池进行均衡的改进型放电均衡方法，最后通过实验的方法验证了其可行性。目前该方法已经在北京环卫车电池管理系统上得到实际应用，并采用主从模式对整组电池进行均衡管理，其中主板负责均衡判断，从板则负责均衡执行。同时电池的充电均衡方法也在进一步的验证之中。

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　　北京交通大学电气工程学院 郭宏榆 姜久春 文锋 温家鹏 时玮|文