详解动力电池组均衡设计原理及意义

控制策略

电池监视系统硬件的控制程序设计为既监视电池状态，又管理电池不平衡。该系统的无源平衡功能可以接通或断开，以决定平衡对电池组的影响。实验室测试在Turnigy公司制造的两个相同的电池组上以及通过多个充电 / 放电周期进行。为了比较方便，仅监视第一个电池组，以确保每节电池的电压都保持在正常工作范围。第二个电池组既受到监视，又接受周期性无源平衡。这个实验中使用的两个电池组由 6 个串联锂离子聚合物电池组成，总容量为 2.2AHr。单个电池的最大终端电压为 4.2V，最小终端电压为 3V。为了模拟实时使用情况并加速老化，两个电池组都在电池监视系统的监察下连续充电和放电。放电周期采用固定的 2C 至 3C、4.4A 至 6.6A 速率，同时电池以 1C 至 2C、2.2A 至 4.4A 的恒定电流充电。基本监视系统设定为监视单个电池电压的欠压和过压情况以及任何过流故障。在放电时，电池组中任何电池达到 3.005V 的欠压限制都会终止放电周期。在充电周期，如果电池组中的任何电池达到了 4.19V 的过压状态，电池充电就终止。每个电池组都重复充电和放电 100 个周期，以加速老化。

无源平衡的目标是调节电池组中所有电池的 SOC ，以便能够从电池组中安全地抽取最多的能量。无源平衡器不产生或向电池组提供电荷，这意味着，电池组中容量最低的电池将决定电池组的有用容量。为了最大限度地提高电池组的容量，平衡器需要确保使容量和 SOC 较低的电池完全充电和放电。仅当电池能完全充电和完全放电时，该电池存储的总能量才能使用，这意味着最薄弱的电池应该是最先完成充电和放电的电池。对无源平衡方法的主要担心之处是，能否识别具较高容量的电池。电池的 SOC 体现在电池的开路电压中，也是剩余能量的百分比指示器。两节电池有相同的 SOC ，不意味着这两节电池存储了相同数量的能量，与容量较低的电池相比，在给定 SOC 下，容量较大的电池存储的能量总是更多。

平衡软件控制算法用来利用充电器协调平衡，而且在充电周期开始时启动。既然无源平衡仅能从电池组去除能量，那么当电池组放电时，平衡就没有意义了。这也消除了使容量较低的电池和容量较高的电池 SOC 相等的可能性，这在放电时会降低可用容量。充电周期一启动，就将电池电压存储起来，然后才连接充电器。在充电周期开始时，平衡器应该决定哪一节电池的电压最低，这节电池将被称为 Clow。充电周期结束的标志是，某一节电池达到预定的最大电压限制，当充电周期结束时，电池电压再次存储起来。在两种情况下，电池电压都是用无负载电流测量的，而且经过了短期稳定。如果充电周期结束后，所测得的 Clow 电压不是最高电压，那么就需要平衡。充电周期之后 Clow 的电压设为 Vbalance。对于电池组中所测得的电压高于 Vbalance 的电池，要启动泄放电阻器。平衡开关应该保持接通，直到所有电池电压都等于 Vbalance 电压为止。达到平衡以后，电池恢复充电，以使电池完全充电。为了观察无源平衡的影响，做了两个测试，结果如下。

测试结果：电池组 1

电池组 1 经过了 100 个充电 / 放电周期，图 3 显示若干周期后记录 6 节电池的电压。该图显示，经过短暂停顿后，在一个完整的充电周期结束时所测得的电池电压。充电后，电池电压之间的不平衡与容量和内部电阻的小量变化有关。在第一个完整的周期中，测得的电池组容量为 2.072AHr，经过 100 个周期后，所测得的容量为 2.043AHr，随着周期数增加，容量有少量下降。还有一种趋势，即随着充电 / 放电周期数的增加，充电后电池的最终电压下降了，100 个周期以后，这种趋势尤其显著。这种趋势最有可能是因为电池老化引起电池内部电阻的小量增加导致的。内部电阻增加使电池更快地达到充电结束门限。尽管在工作时没有平衡，这个电池组在 100 个周期中自始至终保持着同样程度的不平衡。能像这个电池组一样，每节电池自然而然相互匹配的电池组相当罕见。

图 3：充电周期之后电池组 1 中电池的电压

测试结果：电池组 2
第二个电池组评估时采用了无源平衡算法。在进行任何平衡之前，电池组经过 10 次充电 / 放电。电池组 2 的初始电压如图 4 所示。与电池组 1 不同 ，制造商没有对这些电池的 SOC 进行很好的匹配。遇到这种类型失配的可能性要大得多。电池组 2 需要平衡，然后才能提供总的潜在容量。这种情况是更加典型的。

图 4：充电周期之后电池组 1 中电池的电压

5 号电池与其余电池之间存在很大和高于 100mV 的不平衡。这种不平衡对电池的容量有极大的影响。在一个完整的周期之后，该电池组显示所测得