3研究電池組均衡充電的意義
電動(dòng)汽車(chē)用鋰離子電池組通過(guò)多節鋰離子電池串聯(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(guò)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(guò)程中，由于加工工藝等原因，同批次電池的容量和內阻都可能存在差異;使用過(guò)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(cháng)時(shí)間累積，造成電池狀態(tài)的不平衡。長(cháng)期使用必將導致各電池的容量、內阻、端電壓等參數不均衡，從而影響整個(gè)電池組的實(shí)際容量，縮短壽命，造成浪費，增大成本。
和其他電池相比，鋰離子電池幾乎沒(méi)有耐過(guò)充的能力，在電池荷電狀態(tài)已滿(mǎn)時(shí)，若繼續充電，電池的電壓將繼續升高。電壓過(guò)高會(huì )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(guò)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(zhù)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(guò)充電，否則會(huì )給電池造成致命的損壞或造成**事故。實(shí)驗數據證明，過(guò)充電將嚴重減少電池的充電循環(huán)次數。
因此，在對串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時(shí)，不能通過(guò)過(guò)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(mǎn)為依據，必然導致容量小的電池過(guò)充電，損害電池;若以容量小的電池充滿(mǎn)為依據，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(guò)程中，若以容量大電池放電結束為依據，必然導致容量小的電池過(guò)放，若以容量小的電池放電結束為依據，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(chē)電池組需要頻繁的充放電，隨著(zhù)充放電次數的增多，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。為應對以上問(wèn)題，就要在充電過(guò)程中，通過(guò)某種方法，使充電完成時(shí)電池組的所有電池都能充滿(mǎn)電，達到均衡狀態(tài)，實(shí)現均衡控制。
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、能量轉換式、能量轉移式。
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(lái)實(shí)現均衡。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(guò)開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，在充電過(guò)程中，當某個(gè)電池電壓偏高時(shí)，其分流開(kāi)關(guān)閉合，電池進(jìn)行分流。這種方法結構簡(jiǎn)單容易實(shí)現，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(chē)需要考慮能效的問(wèn)題，否則無(wú)法大規模推廣，顯然，這種均衡方法不適用。能量轉換式主要有兩種，一種是將電池組的整體電壓向饑餓的單體電池進(jìn)行補充，另一種是將單體電壓向整體電壓進(jìn)行轉化。常用的有線(xiàn)圈能量轉換法，利用變壓器將能量補充給饑餓的電池，有開(kāi)關(guān)式、共享式、獨立式三種結構，線(xiàn)圈能量轉換法對充電電流進(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(lái)了，這時(shí)需要大量的變壓器，磁場(chǎng)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(dòng)汽車(chē)電池組充電也不適用。
能量轉移式是利用電容或電感等儲能元件將能量進(jìn)行傳遞，在充電過(guò)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(guò)控制開(kāi)關(guān)的切換，先由電壓*高的電池向電容充電，充滿(mǎn)后切換開(kāi)關(guān)，由電容向電壓低的電池充電，并多次重復這個(gè)過(guò)程。這種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、體積可以做的很小，缺點(diǎn)是需要大量的電力電子開(kāi)關(guān)器件，損耗大，需要的時(shí)間也較長(cháng)，因此不適宜電動(dòng)汽車(chē)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輸出信號的占空比來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件，使B1能量?jì)Υ嬖陔姼?，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(diǎn)是效率高，速度快，體積小，缺點(diǎn)是控制算法比較復雜。
通過(guò)對以上各種均衡方法的特點(diǎn)相比較，本文認為電感式均衡電路較適用于電動(dòng)汽車(chē)電池組充電均衡。電動(dòng)汽車(chē)電池組具有大規模串聯(lián)的特點(diǎn)，因此，本文在電感相鄰均衡電路的基礎上，設計了大規模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路（如圖3），實(shí)現電池組內各電池之間的電量轉移，達到均衡的目的。
系統中，及時(shí)檢測電池組中各電池的狀態(tài)信息，送入MCU中，通過(guò)算法處理，控制PWM的輸出，驅動(dòng)開(kāi)關(guān)器件的導通和關(guān)斷。當某個(gè)電池電壓較高時(shí)，相應的開(kāi)關(guān)器件導通，電池將能量?jì)Υ娴较鄳碾姼兄?，當開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，能量轉移到下游的電池，多余能量轉移到公共電容上并回饋給充電電路。
5鋰離子電池組充電
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，該系統采用MCU進(jìn)行控制，對電池的電壓、電流、溫度等參數進(jìn)行采樣，送入MCU中，并通過(guò)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(kāi)關(guān)器件，實(shí)現均衡充電，該系統結構框圖如下。
6總結
本文在通過(guò)對多種傳統充電方式的研究，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、**。同時(shí)，應對電池組中單個(gè)電池狀態(tài)不均衡的問(wèn)題，進(jìn)行了均衡控制研究，使電池組內電量相互轉移，保證在充電結束時(shí)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的結構.