鋰電池快速充電及二次均衡研究

焦立春 霍彥明

摘 要：現(xiàn)在制約電動(dòng)汽車行業(yè)的迅速發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題是電池問(wèn)題，很多國(guó)家在加強(qiáng)對(duì)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(guò)程中對(duì)電池組電壓進(jìn)行均衡的研究，通過(guò)分析快速充電中極化電壓的變化及溫度的變化，從而發(fā)現(xiàn)電池組電壓會(huì)出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，進(jìn)而采集開(kāi)路電壓并使用模糊控制的策略來(lái)改善不均衡現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)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(shí)加入了小段的停歇時(shí)間，用以消除電池的極化現(xiàn)象，起到了提高充電效率的作用。具體的充電過(guò)程為：在充電的初期，采用較大電流給電池進(jìn)行充電，此時(shí)能夠可以在較短的時(shí)間內(nèi)充進(jìn)較多的電量，并且充電前期極化現(xiàn)象不明顯，電池可以接受大電流充電，當(dāng)其端電壓達(dá)到預(yù)期設(shè)置的電壓值時(shí)，短暫的停止充電；接下來(lái)減小電流再次重復(fù)上一階段的充電過(guò)程，如此反復(fù)，一直到電池達(dá)到充滿的狀態(tài)。

2 充電過(guò)程中溫度及極化電壓的變化

溫度是快速充放電過(guò)程一個(gè)非常重要的問(wèn)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(huì)使溫度升高的更快，溫度的不同會(huì)導(dǎo)致每個(gè)電池的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)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(zhì)上產(chǎn)生差距，外部特征表現(xiàn)為：電池容量的不同、工作電壓的不同、內(nèi)阻不同等等一些問(wèn)題，于是電池間會(huì)出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象，從而影響電池的使用壽命。所謂極化現(xiàn)象指的是在對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充放電時(shí)，其電動(dòng)勢(shì)不再處于平衡狀態(tài)，使得真實(shí)的端電壓值與實(shí)際電動(dòng)勢(shì)不相等的情況。極化的種類包括歐姆極化、濃差極化、電化學(xué)極化三類，這些極化現(xiàn)象存在于整個(gè)充電過(guò)程中，且跟電池的內(nèi)阻、電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)有著很大的關(guān)系，在停充的時(shí)間段內(nèi)極化現(xiàn)象會(huì)減弱，端電壓會(huì)有明顯的變化，如圖2所示，不同電池經(jīng)過(guò)反復(fù)使用后造成電壓不一致，也會(huì)使電池之間出現(xiàn)不均衡現(xiàn)象。改善電池快速充電過(guò)程中的不均衡問(wèn)題對(duì)電動(dòng)汽車的發(fā)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(gè)單體電池之間的電壓差異，采用電感均衡拓?fù)潆娐穪?lái)使電量在電池組之間實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移從而達(dá)到均衡的效果，它的工作原理是當(dāng)電池單體端電壓比整個(gè)電池組的平均點(diǎn)高，需要進(jìn)行降壓時(shí)，將MOSFET打開(kāi)，電池對(duì)電感進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，儲(chǔ)能電感存儲(chǔ)能量。電池恢復(fù)平均水平后，MOSFET斷開(kāi)，電感與肖特基二極管、其它電池構(gòu)成放電回路，電感將儲(chǔ)存的能量進(jìn)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(duì)象是均衡系統(tǒng)取得良好均衡效果的前提，均衡對(duì)象就是均衡控制的變量，用以表征電池的容量，現(xiàn)在選取端電壓為均衡控制對(duì)象，端電壓與電池SOC變化趨勢(shì)一致。通過(guò)實(shí)時(shí)采集電壓值，以采集到的電壓值和各個(gè)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(tǒng)，制定模糊規(guī)則，通過(guò)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(jì)算占空比，控制相應(yīng)的高頻率開(kāi)關(guān)器件，均衡器工作，開(kāi)始對(duì)電壓較高的單體電池進(jìn)行一定時(shí)間的分流。在充電后期極化現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)充滿電后極化電壓減小時(shí)，電壓變化較大，所以進(jìn)行二次均衡，如果單體電壓與額定電壓差值在20mv以上時(shí)，通過(guò)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)期間開(kāi)啟均衡電路進(jìn)行均衡，將差值控制在范圍以下，這樣就完成了充電過(guò)程中及充電過(guò)程后的兩次均衡，保證了各個(gè)單體電池之間的差異很小，從而改善了電池組內(nèi)單體電池不均衡的問(wèn)題，促進(jìn)了電動(dòng)汽車行業(yè)的發(fā)展。

4 總結(jié)

電動(dòng)汽車要想得到大規(guī)模的發(fā)展，必須提高動(dòng)力電池性能和使用壽命。要想使整個(gè)電池組的整體性能持續(xù)長(zhǎng)久，在電池管理系統(tǒng)中增加均衡控制系統(tǒng)必不可少，通過(guò)改進(jìn)均衡結(jié)構(gòu)、優(yōu)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。

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作者簡(jiǎn)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。