3、研究電池組均衡充電的意義

　　電動(dòng)汽車用鋰離子電池組通過多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以獲得高輸出電壓。由于各單體電池在生產(chǎn)制造和使用過程中電池特性必然存在差異，造成這種差異的原因有：在生產(chǎn)過程中，由于加工工藝等原因，同批次電池的容量和內(nèi)阻都可能存在差異；使用過程中由于溫度等差異造成電池使用不平衡；不同電池之間的放電情況存在差異，長(zhǎng)時(shí)間累積，造成電池狀態(tài)的不平衡。長(zhǎng)期使用必將導(dǎo)致各電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)不均衡，從而影響整個(gè)電池組的實(shí)際容量，縮短壽命，造成浪費(fèi)，增大成本。

　　和其他電池相比，鋰離子電池幾乎沒有耐過充的能力，在電池荷電狀態(tài)已滿時(shí)，若繼續(xù)充電，電池的電壓將繼續(xù)升高。電壓過高會(huì)造成鋰離子在負(fù)極積累，解析出金屬鋰，使電池的蓄電能力喪失，而且這一過程是不可逆的，同時(shí)，電解液發(fā)生電解，析出氫氣和氧氣，伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，電池溫度逐漸升高，氫氣和氧氣有可能發(fā)生爆炸。因此，鋰電池切不可過充電，否則會(huì)給電池造成致命的損壞或造成安全事故。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，過充電將嚴(yán)重減少電池的充電循環(huán)次數(shù)。

　　因此，在對(duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時(shí)，不能通過過充的方式使各單體電池達(dá)到性能均衡。若以容量大的電池充滿為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量小的電池過充電，損害電池；若以容量小的電池充滿為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量大的電池欠充電，這兩種方式都不能達(dá)到均衡狀態(tài)。同樣在放電過程中，若以容量大電池放電結(jié)束為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量小的電池過放，若以容量小的電池放電結(jié)束為依據(jù)，容量大的電池的電量還將剩余大部分電量，不能得到充分利用。電動(dòng)汽車電池組需要頻繁的充放電，隨著充放電次數(shù)的增多，將形成惡性循環(huán)，各電池的不均衡將加劇，造成整個(gè)電池組性能明顯惡化。

　　為應(yīng)對(duì)以上問題，就要在充電過程中，通過某種方法，使充電完成時(shí)電池組的所有電池都能充滿電，達(dá)到均衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)均衡控制。

　　4、電池組充電均衡控制研究

　　目前均衡控制的方法，按照能耗主要分能量耗散式、能量轉(zhuǎn)換式、能量轉(zhuǎn)移式。

　　能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進(jìn)行放電來實(shí)現(xiàn)均衡。常使用的方法是電流分流法。分流法是將每一個(gè)電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻，并通過開關(guān)進(jìn)行控制，在充電過程中，當(dāng)某個(gè)電池電壓偏高時(shí)，其分流開關(guān)閉合，電池進(jìn)行分流。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是分流電阻始終在損耗功率，能效低，而且產(chǎn)生熱量比較大。電動(dòng)汽車需要考慮能效的問題，否則無法大規(guī)模推廣，顯然，這種均衡方法不適用。能量轉(zhuǎn)換式主要有兩種，一種是將電池組的整體電壓向饑餓的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充，另一種是將單體電壓向整體電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)化。常用的有線圈能量轉(zhuǎn)換法，利用變壓器將能量補(bǔ)充給饑餓的電池，有開關(guān)式、共享式、獨(dú)立式三種結(jié)構(gòu)，線圈能量轉(zhuǎn)換法對(duì)充電電流進(jìn)行均衡，充電速率很快，但在大量電池串聯(lián)充電時(shí)，其缺點(diǎn)就突顯出來了，這時(shí)需要大量的變壓器，磁場(chǎng)損耗大，均衡設(shè)備的體積很大，效率變低。因此，這種方法對(duì)電動(dòng)汽車電池組充電也不適用。

　　能量轉(zhuǎn)移式是利用電容或電感等儲(chǔ)能元件將能量進(jìn)行傳遞，在充電過程中，電池組中容量低的電池端電壓會(huì)比其他電池高，這時(shí)容量低的電池會(huì)對(duì)容量高的電池充電。常用的有電容法和電感法。

　　電容式均衡電路是通過MCU控制開關(guān)的切換，先由電壓最高的電池向電容充電，充滿后切換開關(guān)，由電容向電壓低的電池充電，并多次重復(fù)這個(gè)過程。這種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積可以做的很小，缺點(diǎn)是需要大量的電力電子開關(guān)器件，損耗大，需要的時(shí)間也較長(zhǎng)，因此不適宜電動(dòng)汽車電池組充電。

　　電感式相鄰均衡電路的原理是每一個(gè)電池都并聯(lián)一個(gè)電感，檢測(cè)比較相鄰兩個(gè)電池B1、B2的電壓，若B1電壓較高，由MCU控制PWM輸出信號(hào)的占空比來控制開關(guān)器件，使B1能量?jī)?chǔ)存在電感，并對(duì)公共電容充電，然后將能量傳送給B2；反之，若B2電壓較高，PWM輸出的占空比變化，使能量由B2流向B1. 這種均衡電路的特點(diǎn)是效率高，速度快，體積小，缺點(diǎn)是控制算法比較復(fù)雜。

　　通過對(duì)以上各種均衡方法的特點(diǎn)相比較，本文認(rèn)為電感式均衡電路較適用于電動(dòng)汽車電池組充電均衡。電動(dòng)汽車電池組具有大規(guī)模串聯(lián)的特點(diǎn)，因此，本文在電感相鄰均衡電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了大規(guī)模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路（如圖3），實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)各電池之間的電量轉(zhuǎn)移，達(dá)到均衡的目的。

　　系統(tǒng)中，及時(shí)檢測(cè)電池組中各電池的狀態(tài)信息，送入MCU中，通過算法處理，控制PWM的輸出，驅(qū)動(dòng)開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷。當(dāng)某個(gè)電池電壓較高時(shí)，相應(yīng)的開關(guān)器件導(dǎo)通，電池將能量?jī)?chǔ)存到相應(yīng)的電感中，當(dāng)開關(guān)斷開后，能量轉(zhuǎn)移到下游的電池，多余能量轉(zhuǎn)移到公共電容上并回饋給充電電路。

　　5、鋰離子電池組充電電路設(shè)計(jì)

　　在以上研究的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種基于限壓變流脈沖充電方法的具有均衡功能的充電系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用MCU進(jìn)行控制，對(duì)電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進(jìn)行采樣，送入MCU中，并通過一定的算法，控制PWM輸出信號(hào)的占空比，控制脈沖充電電流，控制均衡電路的開關(guān)器件，實(shí)現(xiàn)均衡充電，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下。

　　6、總結(jié)

　　本文在通過對(duì)多種傳統(tǒng)充電方式的研究，綜合各種方式的優(yōu)點(diǎn)，提出了限壓變流脈沖充電方式，使實(shí)際充電電流接近充電可接受電流，縮短充電時(shí)間，并有效防止極化，快速、高效、安全。同時(shí)，應(yīng)對(duì)電池組中單個(gè)電池狀態(tài)不均衡的問題，進(jìn)行了均衡控制研究，使電池組內(nèi)電量相互轉(zhuǎn)移，保證在充電結(jié)束時(shí)各電池達(dá)到均衡狀態(tài)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了電池組充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。