（电力电子与电力传动专业论文）串联电池组新型均衡充电系统的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t ：n eb a t t e r yi st h ek e yp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c v e h i c l e b a t t e r i e sa r ei ns e r i a l sw h e ni m p l e m e n t e di ne v s ，s ot h ec y c l el i f ea n d p e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r yp a c ki sd i f f e r e n tf r o mas i n g l eo n e a m o n ga l lt h e s ef a c t o r s t h a ta f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb a t t e r yp a c k ，t h em o s ti m p o r t a n ti st h eu n b a l a n c ei n c h a r g ea n d o rd i s c h a r g ep r o c e s sb e s i d e st h e d i f f e r e n c eo fb a t t e r ym a n u f a c t u r e t e c h n o l o g y s o 陆t h e r ea r es e v e r a lm e t h o d sf o rt h eb a t t e r yp a c k ，se q u a l i z a t i o n h o w e v e r , b e c a u s eo ft h ee f f e c t , c o s ta n dp r a c t i c a b i l i t y , t h e s em e t h o d sa l en o tw i d e l y u s e d t h i sp a p e ra i m e da tt h eb a l a n c i n gl e a d a c i db a t t e r yp a c k a f t e ra n a l y z e dm e t h o d s f o rb a l a n c i n gb a t t e r yp a c kd o m e s t i ca n da b r o a d ，w ep r o p o s e dan o v e lb a l a n c i n gm e t h o d f o rb a t t e r yp a c k ：s e p a r a t e dc h a r g i n gb a l a n c i n gf o rb a t t e r yi n d i v i d u a l s 1 n h em a i n r e s e a r c hc o n t a i n s ： 1 a n a l y z e dt h ef a c t o r st h a ts h o r t e nt h ec y c l el i f eo fb a t t e r yp a c ka sw e l la st h e i r c a u s e s t h e nw es t u d i e dd i f f e r e n tb a l a n c i n gm e t h o d sb o t hd o m e s t i ca n da b r o a d w e a l s op r o p o s e dan o v e ls e p a r a t e dc h a r g i n gm e t h o d 2 d e s i g n e dt h em o d u l ef o rb a l a n c i n gt h eb a t t e r yp a c k w ec h o s eh a l l b r i d g e c o n v e t t e lm c 9 s 1 2 d 3 2a n ds g 3 5 2 5t od e s i g nt h i sm o d u l e ，a n dm a d ep r i n t e dc i r c u i t b o a r d 3 s i m u l a t e dt h em o d u l ew i t hm 枷a b a f t e ri tw a sp r o v e dc o r r e c ti nt h e o r y , w e m a d et h em o d u l ea n dd e b u g g e di t 。n er e s u l ts h o w st h a tt h em o d u l es a t i s f i e dt h e d e m a n d so fd e s i g n k e y w o r d s ：l e a d - a c i d b a t t e r y ；c h a r g i n g ；e q u a l i z a t i o n ；h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r c l a s s n o ：t m 9 1 2 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：珥舛 牵枣 导师签名： 签字日期：狲7 年p 月j ；日 荔名 签字日期：谚哕年b 月哆日 韭塞銮埋太堂亟堂丝逾塞独创挂直盟 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：司癖小礼奄 签字日期：妇p7 年。月衫日 致谢 本论文的工作是在我的导师姜久春教授的悉心指导下完成的，姜久春教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 姜久春老师对我的关心和指导。 张维戈教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向张维戈老师表示衷心的谢意。 李锦新老师和王建强老师对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，牛利勇、文峰、劳力、郑义、裴晓泽等同学 对我论文的撰写和实验室的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激 之情。 另外也感谢我的家人，有了他们的理解和支持我才能够在学校专心完成我的 学业。 1 引言 1 1 课题背景 随着燃油汽车工业近年来的快速发展，燃油汽车保有量迅速增加，燃油汽车 不但消耗了大量不可再生能源且造成相当程度的大气污染。有关资料表明，燃油 汽车每年约向大气排放约2 亿吨有害气体，占大气污染总量的6 0 0 以上；同时， 我国汽车行业对石油的消耗量已经高达总消耗量的1 3 以上。由此推算，在未来的 2 0 年，汽车行业将成为石油最大的消耗部门，而3 0 年后汽车行业对石油的消耗量 将达到总消耗量的8 0 以上。石油是重要的、不可再生的化工原料，作为燃料直 接燃烧是对能源的极大浪费。按照现在的消耗速度，石油、天然气资源仅仅能够 再维持人类数十年的使用。 为解决上述问题，“节能环保”已成为未来社会发展的一大主题。人类必须寻 找可循环新能源来替代传统能源，同时减少有害气体排放，来减缓人类社会对资 源、环境的压力，实现可持续发展的目标。蓄电池是目l j 世界上广泛使用的一种 化学“电源”，具有电压平稳、安全可靠、价格低廉、适用范围广、原材料丰富和 回收再生利用率高等优点，是世界上各类电池中产量最大、用途最广的一种电池。 随着电池制造技术的不断发展创新，电池在大容量、高功率、长寿命、无污染、 安全可靠、轻便等方面的性能得到了很大的提高。 以动力蓄电池为能源的电动汽车被认为是2 1 世纪的绿色工程。面临石油能 源紧缺和环境保护的双重压力，世界发达国家相继投入巨资进行研究和开发，并 制定相关政策法规来促进电动汽车的发展。电动汽车是以电力为动力源，包括纯 电动汽车e v 和混合动力电动汽车h e v ，具有噪音小、无排气污染、易维修、可 利用用电低谷期间充电以及节能等优点。 纯电动汽车是由蓄电池供电电动机来驱动汽车前进，行驶时零排放。十九世 纪以来，世界各地就一直运行着各式各样的纯电动汽车，二十世纪九十年代开始， 新一代电动汽车不断涌现，欧洲共同体的主要城市基本上都有试运行的电动公交 车。由于纯电动汽车单纯采用蓄电池作为动力来源，因此对蓄电池的能量密度和 电源管理系统要求比较高，鉴于蓄电池的能量密度还远远不及汽油，纯电动汽车 的性能还无法与传统燃油汽车相比，但从长远来看，纯电动汽车仍为最终的发展 目标。 混合动力电动汽车就是以两种或两种以上的储能器、或转换器作为驱动能源 并且其中至少有一种能够提供电能的车辆。一般我们认为混合动力电动车就是既 有内燃机又有电机驱动的车辆。与电动汽车和燃油汽车相比，混合动力电动汽车 具有高性能、低能耗和低污染的特点，具有技术、经济和环境等方面的综合优势。 混合动力电动汽车在起动和低速行驶时，可由电池提供动力；当超过一定速度后， 转由内燃机驱动；在加速和高速行驶时，可由内燃机和电动机联合驱动；正常行 驶或减速、刹车时，可对电池充电，故在正常情况下，混合动力电动汽车不需通 过外部电源充电或只需较短的外部充电时间。混合动力电动汽车的内燃机还可以 改用压缩天然气、甲醇等代用燃料，这不仅降低了车辆对石油的依赖，而且有效 地减少了尾气中的有害物质。混合动力电动汽车对电池的比能量要求与纯电动汽 车相比较低，从而可以大幅度降低电池组的重量和成本，串联式混合动力电动汽 车的电池重量仅是纯电动汽车电池重量的l 3 。由于混合动力电动汽车的整体性价 比明显优于纯电动汽车，国外汽车制造业普遍认为混合动力电动汽车是目前最具 有开发前景的新型交通工具之一。 1 2 电动汽车发展的制约因素 目前蓄电池技术仍是电动汽车商业化发展的关键制约因素。h e v 、e v 对蓄电 池的要求是：比能量高、比功率高、充电快速高效、尺寸小、安全性好、可回收、 寿命长、免维护、成本低、自放电小、无污染、更换简便、使用温度范围宽。 单体蓄电池的电压和容量均不能达到使用要求，在电动车上往往将数节蓄电 池串联使用，有时数量可达上百节。蓄电池的循环寿命一般能达到几百次甚至几 千次，但串联电池组很难达到这个水平。同时，电池串联使用时其他性能如充电 效率、放电能力等也受到影响。大量研究表明，这种现象是由于电池问的不一致 性造成的【1 心。 1 3 电池组不一致性分析 电池的不一致性是指同一种型号规格的电池的电压内阻容量等参数存在差 别。产生这种差别的原因主要以下两方面 3 1 ： 1 ) 电池自身存在的不一致性：电池制作过程中，由于工艺和材质的不均匀等 原因，使得即使是同一个厂生产的同型号的电池的性能也不可能完全一致；在装 车使用时，电池组中各个电池的温度场和通风条件、自放电程度及其充放电过程 的差别等因素在一定程度上也增加了电池参数的不一致性；电池使用过程中，使 用环境如温度、电路板的差异，导致电池容量的不平衡； 2 2 ) 电池充电带来的不一致性。在充电过程中，电池容量小的电池会率先被充 满，此时电池组仍在充电，因此容量小的电池会被过充，产生析气或发生不可逆 的结构性损坏，电池容量进一步减d d 4 1 ； 3 ) 电池放电带来的不致性。在放电过程中，电池容量小的电池电压下降最 快，当电池能量耗尽时，电池两端甚至会出现反极性，相当于被其它电池反充电， 导致整组电池的放电能力减弱，同时过放也会使电池内部发生不可逆的化学反应， 减小电池容量。 1 4 电池组均衡的必要性和方法 电动汽车用蓄电池需要频繁充放电，其放电电流和放电深度较传统应用都有 更高的要求。实践表明，当一组电池中有几节电池发生容量减小、内阻变高的情 况时，整组电池的性能会在短时间内快速恶化，从而使得整组电池报废，需更换 新的电池组。从这个角度来说，整组电池的寿命取决于性能最差的那节电池。对 电动汽车而言，电池组的更换费用是电动汽车运行的主要费用，为降低电动汽车 的运行成本，必须有效改善电池组的不一致性，提高电池组性能，延长电池组使 用寿命。 电池的不一致性可以从以下方面加以改善：一是提高蓄电池的生产技术，减 小蓄电池生产时因材料、工艺等带来的差异性能；二是在组成电池组时，尽量选 择在同一时间、地点下生产的同批电池中内阻、容量等性能指标接近的电池；三 是通过辅助的电池均衡系统，改善电池组在使用过程中产生的不一致性，主要是 防止电池的过充和过放。 1 5 电池均衡目标 1 5 1 以s o c ( s t a t eo f c h a r g e ) 为均衡目标 蓄电池组中单体电池的均衡目的是为了维持各单体电池的剩余量保持在同一 水平上，因此从理论上说电池剩余电量应为电池的均衡目标，但目前无法以此为 均衡目标，原因如下：在目前电池制造工艺水平条件下，生产出的电池之间不可 避免存在容量差异，所以，即使在某一时刻单体电池间的电量保持一致，容量小 的电池已经过充；假使采用的电池间的容量差异可以忽略不计，但世界上还没有 一种能够精确计算电池剩余电量的方法，s o c 的测算结果存在较大误差，因此目 前以s o c 为均衡目标没有实际意义。 1 5 2 以电池电压为均衡目标 电池电压是反映电池状态的重要参数，在电池的充电、放电过程中，均以电 压为控制目标。虽然电池电压的高低并不等同于电池的电量，但是以电压为均衡 目标具有如下优点垆j ：1 电压是电池充放电上下限的衡量标准，保持单体电池之间 的电压一致，能够在电池组完全充放电的同时，防止单体电池出现过充和过放的 现象；2 虽然串联电池组中单体电池的电压检测存在技术问题，但是比s o c 的测 量精度要高很多，目前可以达到5 ；3 在组成电池组的时候，可以选择一致性好， 差异小的电池，这样电池之自j 容量差异较小，此时，电池电压基本反映电池电量。 综上所述，现阶段，采用单体电池电压为均衡目标能够更好的达到均衡目的，延 长电池寿命。 1 6 论文完成的工作 本论文以车载铅酸蓄电池组为均衡对象，目的是改善铅酸蓄电池组使用过程 中的不均衡现象，主要完成的工作内容如下：1 ) 阅读了大量有关电池不一致性的 文章，了解不一致性带来的危害及其产生原因；了解铅酸电池的工作原理，和其 充电特性，结合电池不一致性产生的原因对造成电池组性能变差的主要原因进行 了分析。2 ) 研究了国内外的现有均衡技术，对目前提出的各种方案在均衡效果、 均衡时间、造价、可实施性等方面进行了全面的考虑，并在目前技术条件下，提 出了一种新型的均衡充电方案，该方案具有节约能源、均衡效果好、均衡速度快、 可扩展性强等优点，在现阶段具有很强的适用性。3 ) 对所提出的均衡充电系统中 的均衡充电模块进行了设计，包括主电路和控制电路，并进行了仿真和实验。 4 2 蓄电池基本概念及充电特性 2 1 蓄电池介绍 1 ) 铅酸电池 铅酸蓄电池1 8 5 9 年由普兰特( p l a n t e ) 发明，是目前使用最多的电池。它可 靠性高、容量大、承受冲击负荷能力强、工作温度范围宽、原材料易得、价格低 且可回收的优点，广泛应用于汽车、轮船、发电厂和变配电所中。传统的铅酸电 池存在体积大，能量密度低、寿命短、维护操作复杂的缺点，使用过程中产生氢、 氧气体，并伴随酸雾，污染环境。近年来随着人们对铅酸电池的不断研究和改进， 开发出多种铅酸蓄电池，性能有了全面的提高，其中阀控式铅酸电池克服了传统 铅酸电池的缺点，具有免维护功能、大电流放电能力强、体积小、寿命长、不存 在镍镉电池记忆效应的优点，已越来越多的取代传统铅酸电池而被广泛使用。目 前铅酸电池已成为使用最为广泛的电动汽车蓄电池。 2 ) 镍锈电池： 镍镉电池是一种碱性电池，应用广泛程度仅次于铅酸蓄电池，其比能量可达 5 5 w h k g ，比功率超过1 9 0 w k g ，内阻很小、可快速充放电、可为负载提供大电流、 且放电时电压变化很小、循环使用寿命较长，大约为铅酸蓄电池的两倍，是一种 非常理想的直流供电电池。镍镉电池自放电率低，在长时间放置的情况下，特性 也不会劣化，充分充电后可完全恢复原来的特性，工作温度为2 0 + 6 0 。镍镉 电池在镍氢电池出现之前曾经被广泛使用，由于镍镉电池存在记忆效应和严重的 金属镉污染问题，上个世纪9 0 年代以后，随着镍氢电池技术的不断成熟，镍镉电 池已在许多国家己经限制生产和使用。 3 ) 镍氢电池 镍氢蓄电池起源于2 0 世纪6 0 年代初期，它的出现是电池行业一次技术上的 重大突破，它与镍镉蓄电池一样也属于碱性电池，是以能吸附氢气的合金材料取 代镍镉蓄电池中的负极材料镉( c d ) ，电压为1 2 v 。它具备镍镉蓄电池的所有优异 性能，而且能量密度还高于镍镉蓄电池。主要优点是：比能量高( 9 5 w h k g ) ；比 功率高( 9 0 0 w k g ) ：在大电流工作时也能平稳放电；低温放电性能好；循环寿命 长；安全可靠，免维护；工作环境温度为3 0 0 c + 5 5 0 c ，高低温工作容量损失少； 对环境不存在任何污染问题，可再生利用，符合持续发展的理念。但是，n i m h 蓄电池成本太高，价格昂贵。另外n i m h 电池的记忆效应和充电发热等方面的问 题值得关注。 4 ) 锂离子电池 锂离子电池的发明是继镍氢电池之后的又一次技术突破。锂是世界上最轻的 金属，构成电池时，输出电压近4 v 。其优点是比能量高，是当前比能量最高的蓄 电池。与铅酸蓄电池和镍氢蓄电池相比，锂离子蓄电池具有如下的优点：比能量 大、比功率高、工作电压平坦、自放电小、无记忆效应、循环特性好、可快速放 电、且效率高、工作温度范围宽、无环境污染等。根据电解质的不同，分为锂离 子电池l i b ( l i t h i u m - i o n b a t t e r y ) 和锂聚合物电池p l b ( p o l y m e r l i t h i u m i o n b a t t e r y ) 。 l i b 是一种高能量、高功率电池，高能量l i b 比能量远超过1 0 0 w h k g ，l i b 是 一种高能量、高功率电池，高能量l i b 比能量远超过1 0 0 w h k g ，高功率l i b 的 比功率超过1 0 0 0 w k g ，循环寿命超过1 0 0 0 次。 5 ) 其它动力电池：目前较为成功的电动汽车动力电池还有燃料电池、钠氯化 镍电池( n a n i c l 2 ) 、锌空气电池( z i n c - a i r ) 和飞轮电池。 目前动力蓄电池存在以下几个主要性能缺陷，严重制约着电动汽车性能的提 高和市场化：一是比能量太低，加上蓄电池自重和体积太大，导致一次充电行驶 路程( 续驶里程) 太短：二是比功率太低，影响整车的加速性能，与燃油汽车相 比存在较大距离；三是使用寿命低而且价格昂贵，障碍了电动车的商品化；四是 充电时间长，影响了使用的方便性。 2 2 蓄电池常用性能指标 1 ) 容量蓄电池在一定的放电条件下所能放出的电量称为电池的容量，用符 号c 表示。常用的单位为安培小时( a h ) ，它等于放电电流与放电时间的乘积。 这种方式定义的电池容量小于电池的标称容量。因为组成电池时，除活性物质外 还包括非反映成分，如外壳、导电零件等，同时还与活性物质被有效利用的程度 有关【6 】。 在实际应用中我们一般采用荷电状态s o c ( s t a t eo f c h a n g e ) 来描述蓄电池的 剩余容量。s o c 定义为剩余容量与总容量的百分比。 2 ) 能量密度动力电池单位质量或单位体积的蓄电池所能输出的能量。通常 质量能量密度定义为蓄电池的比能量( w h k g ) ，体积能量密度定义为蓄电池的能 量密度( w h l ) 。其中比能量更为重要，它影响到电动车的整车质量及续驶里程， 是评价电动车的蓄电池是否满足预定的续驶里程的重要指标。 3 ) 功率密度功率密度是指单位质量或单位体积的蓄电池所具有的输出能量 的速度，它也可分为比功率( w k g ) 和功率密度( w l ) 。对电动车而言，重点考 虑比功率参数。它是评价蓄电池能否满足电动汽车加速和爬坡能力的重要指标。 6 4 ) 能量效率电池作为能量储能器，充电时把电能转变成化学能储存起来， 放电时把电能释放出来。在这个可逆的电化学转换过程中，有一定的能量损耗。 通常用电池的能量效率来表示电池的充放电效率。它表示为放电时输出的能量与 充电时输入的能量比。电池内阻是影响能量效率的主要原因，它使电池能量以热 的形式损耗掉。 5 ) 放电倍率电池以某种电流强度放电时的数值为电池容量的配数。常用c 表示。例如电池容量为5 0 a h ，当充放电电流强度为l c 时，是指放电电流为5 0 a 。 6 ) 自放电率当电池处于闲置不用时，虽然没有电流流过蓄电池，但电池内 活性物质与电解液自发的反应却一直在进行，这造成了电池内的化学能量无益的 损耗，使电池容量下降，这种现象称为电池的自放电。自放电的大小一般常用自 放电率来表示，其定义为在常温条件下，蓄电池每天自放电减少容量与额定容量 的百分比。 7 ) 循环使用寿命通常定义为蓄电池失效前所允许的深放电次数。所谓深放 电一般是指蓄电池完全放电到截止电压。它是影响电动车总的续驶里程的重要指 标。电池的使用寿命与充放电深度及温度等条件有关，减小充放电深度，可以延 长电池的寿命。 2 3 铅酸电池工作原理 铅酸电池属于二次电源，它的j 下极板活性物质是二氧化铅( p b 0 2 ) ，负极板活 性物质是灰色海绵状的金属铅( p b ) ，电解液是浓度2 7 3 7 的稀硫酸水溶液 ( h 2 s 0 4 ) 。关于铅酸蓄电池充、放电后，正负极的最终产物问题，j h g l a d s t o n e 和a t r i b e 提出了解释铅酸蓄电池成流反应的“双极硫酸盐化理论”，目前这一理 论现已得到公认并广为应用【7 】【8 】【9 】。 按照这一理论，铅酸电池的电极反应和电池总反应如下： 负极反应：p b + h s 0 4 一；昙p b 鼢+ 日+ + 知 ( 2 1 ) 正极反应：p b 0 2 + 3 h + + h s 0 4 - + 2 p “一p b s 0 4 + 2 日2 d ( 2 2 ) 电池总反应；尸易+ p 6 0 2 + 2 h + + h s 0 4 一；= 案2 用崛+ 2 h 2 0 ( 2 3 ) 从反应方程式可以看出，在放电期间，铅酸蓄电池正极的活性物质二氧化铅 ( h 2 0 ) 和负极的活性物质海绵状铅( p b ) 与电解液硫酸( h 2 s 0 4 ) 进行化学反应 生成硫酸铅( p b s 0 4 ) ，引起h 2 s 0 4 的减少，而且在正极板上不断生成水( h 2 0 ) ， 从而引起电解液的比重降低；充电过程与放电过程正好相反，正负两极的硫酸铅 7 分别反应生成二氧化铅和海绵状铅，同时不断生成硫酸，使电池中的电解液浓度 回升。 2 4 铅酸电池充电过程分析 蓄电池在充电过程中，电池内部发生如下反应i 刀 正极：p 6 2 e + 2 而f 2 0 = p b 0 5 + h 2 s 0 4 + 2 h + ( 2 - 4 ) d 一2 e = 2 日+ + 圭d 2 ( 2 - - 5 ) 负极：p b s 0 4 + 2 e + 2 h + = p b + 马s 0 4 ( 2 - _ 6 ) 2 e + 2 h + = 皿 ( 2 7 ) 其中式( 2 - 4 ) 和式( 2 6 ) 是蓄电池的充电反应，而式( 2 5 ) 和式则是电解 水的副反应。在充电过程中，可以根据电池内部的化学反应情况将充电过程分为 三个阶段：高效阶段、混合阶段和电解水阶段。 1 ) 高效阶段这一阶段在铅酸电池充电的初期，电池内部的主要反应是p b s 0 4 转换成为p b 和p b 0 2 ，充电接受率约为1 0 0 。充电接受率是转化为电化学储备的 电能与充电机输出电能的比。 2 ) 混合阶段水的电解反应与主反应同时发生，充电接受率逐渐下降。当电 池电压和酸液的浓度不再上升时，电池单元被认为是充满了。 3 ) 电解水阶段在电池已基本充满的情况下，由于正、负极板上的大部分硫 酸铅已转变成二氧化铅和海绵状铅，此时，充电电流如果仍然很大，超过剩余活 性物质反应的需求，则充入的电能将主要消耗于水的电解，在电池的负极会析出 氢气( h 2 ) ，在正极则会析出氧气( 0 2 ) 。所以在充电末期必须注意充电电流的不 能太大，否则会剧烈地产生气泡，冲刷极板，使极板上的活性物质脱落损坏，降 低电池的容量和寿命，同时还会导致水的消耗的增加，浪费电力和蒸馏水，也增 加了管理和维护的麻烦。对于v r l a 蓄电池可能造成内部压力增大，导致调节阀 打开，使水分流失，维护起来将更加麻烦。 2 5 蓄电池充电理论 铅酸蓄电池充电接受能力是指其电解液不产生或只产生微量析气的前提下所 能够接受的最大充电电流。上世纪6 0 年代中期，美国科学家马斯对开口蓄电池的 充电过程作了大量的试验研究，提出了电池可接受的最大充电电流： i = 1 0 e 一“ ( 2 8 ) 式( 2 - 8 ) 中：i 在充电过程某时刻电池的充电可接受电流； i o 开始充电( t = o ) 时蓄电池可接受的最大充电电流； a 充电可接受电流衰减常数，与蓄电池的结构和状态有关。 由公式可知，在充电过程中，充电可接受电流是按指数规律下降的。 图2 1 充电可接受电流曲线 f i g2 - lt h ec u r r e n tc l l r v eo f c h a r g i n g 根据公式，电池的可接受的充电电流曲线如图2 - 1 所示。由圉可知，当充电电 流在可接受电流曲线以下时，充电不产生析气或只产生微量析气；如果充电电流 超过可接受电流曲线，则电流越大，电解水反应就越剧烈，会使蓄电池内部的压 力增大、温升加速，对蓄电池造成损害。同时，产生大量析气不仅是出现在蓄电 池充电的后期，在充电的任一时间罩，只要充电电流大于当时的可接受电流，就 会出现“过充电”的现象。从这个角度讲过充电可以定义为：蓄电池在充电过程 中，由于充电电流超过了可接受电流而使电解液中的水被大量电解而出现较严重 的析气现象。如果充电电流按这条曲线变化，不但能够提高充电效率，而且还能 在几乎不损害电池容量和寿命的情况下减小电量消耗，因此这条曲线被称为最佳 充电曲线。 2 6 蓄电池充电方法 2 6 1 常规充电法 常规充电制度是依据1 9 4 0 年前国际公认的经验法则设计的，其中最著名的是 “安培小时规则”，即充电电流安培数，不应超过蓄电池待充电的安时数。实际 上，常规充电的速度被蓄电池在充电过程中的温升和气体的产生所限制。这个现 象对蓄电池充电所必须的最短时日j 具有重要意义。一般来说，常规充电有以下3 种【l l 】【1 2 】【1 3 1 。 9 1 ) 恒流充电法 恒流充电法是通过调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻大小，保 持充电电流强度不变的充电方法，如图2 - 2 所示。该方法的优点是控制方法简单， 但由于电池对电流的接受能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期， 充电电流多用于电解水，产生气体，使析气过甚，此时电能不能有效转化为化学 能，多变为热能消耗掉了。因此，常选用阶段充电法。 l l 电压蠹他厂 厂 7 意咆t 乜漉 图2 2 恒流充电曲线 f i g2 - 2 t h ec h a r g i n gc t l r v oo f i d e n t i c a lc u r r e n t 2 ) 阶段充电法 阶段充电法包括二阶段充电法和三阶段充电法。 二阶段法采用恒流和恒压相结合的快速充电方法，如图2 3 所示。首先，以恒电流 充电至预定的电压值，然后改为恒压完成剩余的充电。一般两阶段之间的转换电 压就是第二阶段的恒电压。 三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒流充电，中间用恒压充电。当电流 衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。这种方法可以将出气量减到最少， 但作为一种快速充电方法使用，受到一定的限制。 o 图2 - 3 二阶段充电曲线 f i g2 - 3 t h ec h a r g i n gc u r v eo f t w op h a s e 3 ) 恒压充电法 恒压充电就是在电池充电的过程中，充电电源的电压在始终保持恒定的数值。 充电电流满足公式2 - 9 ，恒压充电曲线如图2 4 。 1 ：u - e ( 2 9 ) r 式中：i 充电电流 u 电池外加充电电压 e 电池电动势 r 充电电路回路电阻 由公式可知，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的 进行，蓄电池端电压的逐渐升高，电流将逐渐减少。与恒流充电法相比，恒压充 电的过程更接近于最佳充电曲线。采用恒定电压充电的只需简易控制系统，并且 充电过程中电解水很少，避免了蓄电池过充。但是在充电初期电流过大，对蓄电 池寿命造成很大影响，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点， 恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过 程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。 o 图2 - 4 恒压充电曲线 f i g2 - 4 t h ec h a r g i n gg l l l v eo f i d e n t i c a lv o l t a g e 2 6 2 快速充电法 为了能够最大限度地加快蓄电池的化学反应速度，缩短蓄电池达到满充状态 的时间，同时，保证蓄电池正负极板的极化现象尽量地少或轻，提高蓄电池使用 效率，快速充电技术近年来得到了迅速发展。下面介绍目前比较流行的几种快速 充电方法。这些方法都是围绕着最佳充电曲线进行设计的，目的就是使其充电曲 线尽可能地逼进最佳充电曲线l l 叫4 j 。 1 ) 脉冲式充电法 这种充电法不仅遵循蓄电池固有的充电接受率，而且能够提高蓄电池充电接 受率，从而打破了蓄电池指数充电接受曲线的限制，这也是蓄电池充电理论的新 发展。脉冲充电方式首先是用脉冲电流对电池充电，然后让电池停止充电一段时 间，如此循环，如图2 5 所示。充电脉冲使蓄电池充满电量，而间歇期使蓄电池经 化学反应产生的氧气和氢气有时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化 自然而然地得到消除，从而减轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加 顺利地进行，使蓄电池可以吸收更多的电量。间歇脉冲使蓄电池有较充分的反应 时间，减少了析气量，提高了蓄电池的充电电流接受率。 1 厂 一 + 罗 图2 - 5 脉冲式充电曲线 f i 驴一5 嵋p u l s i n gc h a r g i n gc u r r e n tc i v e 2 ) 间歇充电法 间歇充电方法是指在充电过程中增加一段停歇时同，消除极化作用，是建立 在恒流充电和脉冲充电的基础上的一种快速充电方法。问歇充电法分为变电流问 歇充电法和变电压间歇充电法。变电流间歇充电法其特点是将恒流充电段改为限 压变流间歇充电段。充电前期的各段采用变电流间歇充电的方法，保证加大充电 电流，获得绝大部分充电量。充电后期采用定电压充电段，获得过充电量，将电 池恢复至完全充电态。通过j 日j 歇停充，使蓄电池经化学反应产生的氧气和氢气有 时间重新化合而被吸收掉，使浓差极化和欧姆极化自然而然地得到消除，从而减 轻了蓄电池的内压，使下一轮的恒流充电能够更加顺利地进行，使蓄电池可以吸 收更多的电量。 变电压间歇充电法，与变电流间歇充电方法不同之处在于第一阶段的不是间 歇恒流，而是间歇恒压。变电流问歇充电方法更加符合最佳充电的充电曲线。在 每个恒电压充电阶段，充电电流自然按照指数规律下降，符合电池电流可接受率 随着充电的进行逐步下降的特点。 2 6 3 各充电方法优缺点比较 上述是几种常用充电方法，现将各方法的优缺点进行比较【1 2 】，见表l ： 表1 常用充电方法优缺点比较 充电方法优点缺点 可以任意选择和调整充电电流，适初始充电电流过小，充电后期电流 规 恒流 应性较强，特别适合蓄电池容量恢又过大充电时间长、析出气体多、 充 充电 复的小电流长时间充电对极板的冲击较大、能耗较高、效 电率较低，充电时间长 方恒压充电过程较接近于最佳充电曲线，充电初期电流过大，对蓄电池寿命 法 充电电解水很少，避免了蓄电池过充，造成很大影响，且容易使蓄电池极 控制装置简单 板弯曲，造成电池报废 阶段析气量小，较其他两种常规充电方不易控制，i j 后两端都包含恒流和 充电法快恒压充电的缺点 脉冲充电充电过程不产生大量的析气并且快速充电的能量转换效率低，易造 不发热，从而可大大缩短充电时间成极板活性物质脱落 间歇充电充电过程析气量少，能量效率高，控制硬件复杂，难以精确控制 速度快 2 7 本文采用的充电方法 通过上述各充电方法的介绍和优缺点比较可以看出，现有充电方式各有利弊。 相比传统充电方式，快速充电法能够缩短充电时问，但对电池寿命的影响程度还 没有定论；在传统充电方式中，阶段充电法能够较好的结合了恒压充电和恒流充 电的优点，易实现，是目前使用最广泛的充电方式，因此，本文采用两阶段充电 法。 3 串联电池组均衡方法的研究 3 1 均衡方案分类 串联蓄电池组的应用已经十分广泛，从手提电脑、电动自行车、到电动汽车 和混合电动汽车中都可以看到它的使用。在电池组使用的过程中，由于单体蓄电 池性能的不一致性，无论对于哪种蓄电池，都存在单体电池的过充和过放，这会 严重的损害蓄电池，大大缩短蓄电池组的寿命。为提高电池组寿命，人们对串联 电池组的均衡电路和均衡控制策略进行了广泛的研究，目前电池的均衡方案电路 拓扑形式很多，可大致分为下面几类。 3 1 1 按能耗分类 电池组电量均衡的方法，由均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量 消耗型和非能量消耗型两类。能量消耗型是指给电池组中每节单体电池并联一个 电阻，某节电池电压偏高时就对其放电，从而实现均衡。非能量消耗型电路是通 过控制均衡回路中开关管的状态，将单体电池上的电量转移到其它单体电池，或 者整组电池上去。这种方法的耗能比能量耗散型要小，但电路结构相对复杂，控制 难度也大大增加。 3 1 2 按均衡功能分类 按均衡装置可使用的阶段来讲，均衡电路分为充电均衡、放电均衡和双向均 衡。充电均衡是指均衡装黄或均衡方法可在充电过程中实现均衡，一般是在电池 组单体电压达到设定值时开始均衡，减小充电电流从而防止过充电。充电均衡的 使用，加大了低容量电池过放的可能。 放电均衡是在电池放电过程中的均衡，通过向电压低的单体电池补充能量防 止过放电。电池组到单体能量转换的均衡主要应用于放电均衡方式中，另外一种 放电均衡方式是根据电池组中单体电压值的大小，改变放电时问的长短。放电均 衡的使用，加大了低容量电池过充的可能。 双向均锤方式结合了充电均衡和放电均衡的优点，在整个充放电过程中对电 池组进行均衡，避免了单一均衡中的问题。电容、电感型等能量转移方式主要应 1 4 用于此类均衡方式。当充电过程中某只单体电池的电压大于一定值时，通过开关 电路使其减小充电电流或停止充电，当其余电池的电压都达到该电池的电压时， 它重新加入充电；同样在放电过程中当某只单体电池的电压小于一定值时，通过 开关电路断开，再由剩余电池继续放电，直到与该电池电压相等，从而达到均衡。 这种均衡方式可用于单体电池差异较大的电池组中，但开关控制复杂且能耗大。 3 1 3 按均衡电路拓扑形式分类 按均衡电路结构的拓扑形式来分，均衡方法可分为集中均衡和独立均衡。集 中均衡方法大致有两种，一是通过多绕组变压器将能量在单体电池和整组电池之 间传递；二是通过对继电器网络的控制实现同一均衡单元对单体电池的单冲或单 放。独立均衡是给电池组安装若干均衡模块，通过对模块的分别控制达到均衡目 的。 3 2 现有均衡方案 3 2 1 现有典型均衡方案介绍 实现串联蓄电池组中各单体电池的电压均衡，目的主要有以下几种方法 【1 5 】【1 6 】【1 7 1 ： 1 ) 涓流充电均衡方案 在电池组充电快结束的时候，采用小电流充电。这时，己充满的电池不能再 充进去电，而未充满的能够继续充电，最终达到全部充满，实现均衡充电。该方 法简单易行，但当电池之间差异很大的时候，会出现很大的过充，造成电池损坏， 影响电池寿命。同时由于锂离子电池不能够被过充电，故而不能采用这种均衡方 法，否则有爆炸的危险。 2 ) 放电均衡方案 在充电前对每个单体逐一通过同一负载放电至同水平，然后再进行恒流充 电，以此保证各个单体之间较为准确的均衡状态。但在实际使用中，由于个体电 池日j 的物理差异，单体深度放电后难以达到完全一致的理想效果。即使放电后达 到同一效果，在充电过程中也会出现新的不均衡现象。 3 ) 电阻并联均衡方案 电阻并联均衡就是在电池组各单体电池上并联一个电阻均衡电路，通过电阻 来消耗过多能量。在充电时，通过单体电池的电压检测，当某节单体电池达到电 压上限时，导通与其并联的电阻均衡装置的开关，使该节电池和电阻形成一个放 电通路，将多余的能量在电阻上转化成热能，来防止该节电池过充，同时，未充 满的电池仍可继续充电，直至充满为止。该方法电路结构简单，可靠性高，缺点 是会带来能量损耗，不适合快充系统，且在电池容量较大的时候，存在电阻散热 问题。 4 ) 电感均衡方案 电感均衡就是采用电感作为储能元件，将各单体电池上的电量进行转移，如 图3 1 所示。 。，；1 扣息 扛一一 - = 1 一 嗣一。 t ”：g j、m 图3 1 电感均衡方案 f i g 3 - 1t h es c h e m eo f i n d u c t a n c ee q u a l i z a t i o n n 节电池串联组成的电池组由单电源充电，主回路充电电流是i 。单体电池 分别接有一个均衡旁路如图3 1 所示，除去连接在b l 两端的均衡模块，所有的旁 路分流模块组成都是一样的。所有的旁路都由升降压转换器来组成，图中b i 是单 体电池，g i 是开关管，电感l i 是储能元件，g i ，k ，b 构成一个分流模块。 此方案可用于电池充电均衡和电池静置均衡。工作情况如下：假定检测到b 2 电压已到达限制电压，导通丌关管g 2 管。若电池处于充电状态，l 。，g 2 组成分流 回路，i c h 流经b i ，l 。，g 2 ，b 3 直到b i i ，同时b 2 通过l z ，g 2 放电；关闭g 2 后， k 通过d 2 续流，k 中的电流与k 一起给电池组充电。若电池处于静置状态，则 i c h 为0 ，其它过程与充电状态一致。 该方案从理论上讲能够实现电池组的电量均衡，但在实际应用中存在一些问 题。若一次只对一节电池均衡则当电池组中单体电池数量较多的时候，均衡时间 过长，尤其在充电过程中，充电时自j 有所限制的条件下，难以达到均衡效果；若 同时对多节电池进行均衡，则控制策略复杂，不易实现。 5 ) 电容均衡方案q 1 6 l 厂1 。 r + 9下酊 _l o 日t b 2 1 7 组成的d c d c 变换器。变换器有一个输入u s 和n 个输出u l u 2 ，电路设计时使 u l = 1 1 2 = u n _ u , n ，u s 为电池组两端电压。在电池组被外电源充电时，如果各个单 体电池电压一致，则电路中只有电流i 。向电池充电；如果电池之间电压出现不不 一致的时候，则与电压低的电池串联的二极管会自动导通，充电电流为i i ，与电 压高的电池串联的二极管由于承受反向电压，不会导通，充电电流仍为i l 。这样可 使电压低的电池得到较大的充电电流，从而最终达到电压一致的目的。 这种均衡方法的优点是可多节电池同时均衡，在充电时和静置时均可使用； 缺点是：实用性不强，因为要绕制具有完全相同副边的变压器根本不可能，且变 压器的制作水平直接影响到均衡效果；大量的变压器绕组使得均衡电路的体积和 价格同时升高；忽略价格因素，均衡装置体积过于庞大；均衡过程中，无法测量 单体电池电压。 图3 3 变压器集中均衡 f i g3 - 3t h es c h o m eo f t r a n s f o r m e re q u a l i z a t i o n 3 2 2 现有均衡方案存在的问题 上述均衡策略都能起到一定的均衡作用，但均衡效果需要考察。涓流充电均 衡方案中仍存在过充问题；电阻均衡方案中能量浪费的同时产生大量热量，造成 散热问题，同时在电池容量较大的情况下，所需电阻功率较大，不易实现。电感 均衡方案所需均衡时间长，不符合电池快速充电的要求，同时，开关管上的能量 消耗也会影响到均衡效果。电容均衡方案中的开关电路实现困难，频繁的开关切 换也会消耗很大的能量。因此，对于电量转移型均衡方案，如电感、电容等，理 论上能够在不消耗能量的情况下实现电池组均衡，但在实际中，由于器件上的能 量损耗，电能在转移的过程中肯定有一部分被消耗掉了，且随着开关频率的上升， 1 8 能量消耗量增大，如果频率减低，那么要达到相应的均衡效果，元器件的体积也 会随之增大。这些问题使得能量转移性均衡方案目前无法实用化。 同时上述方案除电容均衡方案外，其余方案的均衡控制均与电压检测精度有 关，如果不能保证一定的电压检测精度，则均衡效果很难保证；目前如何精确测 量串联电池组的单体电池电压也是电池使用过程中的难点，因此也大大影响了上 述均衡方案的使用。 另外，根据蓄电池的充放电特性，蓄电池工作曲线的中间阶段，也是电池的 主要工作电压，所占比重很大，在这阶段，蓄电池电压平稳、斜率很小。因此， 这阶段电池问即使出现较大的s o c 差异，在端电压上也表现不出来，这也影响了 上述均衡方案的