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, 若繼續(xù)充電,電池的電壓將繼續(xù)升高. 電壓過高會造成鋰離子在負極積累, 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, 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, 否則會給電池造成致命的損壞或造成安全事故. 實驗數(shù)據(jù)證明, 過充電將嚴重減少電池的充電循環(huán)次數(shù)。

因此, 在對串聯(lián)電池組進行充電時, 不能通過過充的方式使各單體電池達到性能均衡. 若以容量大的電池充滿為依據(jù), 必然導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), 必然導致容量大的電池欠充電, 這兩種方式都不能達到均衡狀態(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, 造成整個電池組性能明顯惡化。

為應對以上問題, 就要在充電過程中, 通過某種方法, 使充電完成時電池組的所有電池都能充滿電, 達到均衡狀態(tài), 實現(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行放電來實現(xiàn)均衡. 常使用的方法是電流分流法. 分流法是將每一個電池并聯(lián)一個分流電阻, 并通過開關(guān)進行控制, 在充電過程中, 當某個電池電壓偏高時, 其分流開關(guān)閉合, 電池進行分流. 這種方法結(jié)構(gòu)簡單容易實現(xiàn), 缺點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行補充, 另一種是將單體電壓向整體電壓進行轉(zhuǎn)化. 常用的有線圈能量轉(zhuǎn)換法, 利用變壓器將能量補充給饑餓的電池, 有開關(guān)式、共享式、獨立式三種結(jié)構(gòu), 線圈能量轉(zhuǎn)換法對充電電流進行均衡, 充電速率很快, 但在大量電池串聯(lián)充電時, 其缺點就突顯出來了, 這時需要大量的變壓器, 磁場損耗大, 均衡設備的體積很大, 效率變低. 因此, 這種方法對電動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能元件將能量進行傳遞, 在充電過程中, 電池組中容量低的電池端電壓會比其他電池高, 這時容量低的電池會對容量高的電池充電. 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, 并多次重復這個過程. 這種均衡電路的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、體積可以做的很小, 缺點是需要大量的電力電子開關(guān)器件, 損耗大, 需要的時間也較長, 因此不適宜電動汽車電池組充電。

電感式相鄰均衡電路的原理是每一個電池都并聯(lián)一個電感, 檢測比較相鄰兩個電池B1、B2 的電壓, 若B1 電壓較高, 由MCU 控制PWM 輸出信號的占空比來控制開關(guān)器件, 使B1 能量儲存在電感, 并對公共電容充電, 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是效率高, 速度快, 體積小, 缺點是控制算法比較復雜。

通過對以上各種均衡方法的特點相比較, 本文認為電感式均衡電路較適用于電動汽車電池組充電均衡. 電動汽車電池組具有大規(guī)模串聯(lián)的特點, 因此, 本文在電感相鄰均衡電路的基礎上, 設計了大規(guī)模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路( 如圖3) , 實現(xiàn)電池組內(nèi)各電池之間的電量轉(zhuǎn)移,達到均衡的目的。

系統(tǒng)中, 及時檢測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)動開關(guān)器件的導通和關(guān)斷. 當某個電池電壓較高時, 相應的開關(guān)器件導通, 電池將能量儲存到相應的電感中, 當開關(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計

在以上研究的基礎上, 本文設計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 進行控制, 對電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進行采樣, 送入MCU 中, 并通過一定的算法, 控制PWM 輸出信號的占空比, 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)

本文在通過對多種傳統(tǒng)充電方式的研究, 綜合各種方式的優(yōu)點, 提出了限壓變流脈沖充電方式, 使實際充電電流接近充電可接受電流, 縮短充電時間, 并有效防止極化, 快速、高效、安全. 同時,應對電池組中單個電池狀態(tài)不均衡的問題, 進行了均衡控制研究, 使電池組內(nèi)電量相互轉(zhuǎn)移, 保證在充電結(jié)束時各電池達到均衡狀態(tài), 并在此基礎上設計了電池組充電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。