張慶良 趙樹國 高志賢 李 科

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學院機電系，河北邯鄲056005)

一、引言

蓄電池幾乎全都用于多個單元電池串聯(lián)組合的場合。將多塊單元電池作為一組來進行充電時，會在所有單元電池上施加單一電壓。如果單元電池初始電壓不同，會導致蓄電池充電不平衡，最終可能會導致蓄電池失效，因此總體失衡是串聯(lián)蓄電池充電時的最嚴重問題。在串聯(lián)蓄電池充電過程中，需要采用某種形式的均衡充電機制來恢復平衡，至少要防止非平衡現(xiàn)象繼續(xù)惡化。

蓄電池均衡充電的常規(guī)做法為:或者通過施加足夠電壓以確保所有單元電池某種程度的過充電;或者經(jīng)由單獨的高電壓充電步驟以使最低容量的單元電池達到要求電壓。

研究者認為長串聯(lián)蓄電池組存在均衡問題，但是只有幾塊單元電池的短電池串同樣存在此問題。根據(jù)參考文獻［1］，6塊鉛酸蓄電池進行常規(guī)的電壓限制充電，最大充電電壓保持在2.35V，進行12小時充電。隨著充電、放電周期循環(huán)，蓄電池性能逐步下降。只有當充電時間延長到16小時后，才有足夠時間來恢復平衡。即使如此，大約需要1周時間才能完全恢復電荷平衡。該充電策略代表的充電過程為被動均衡充電過程:在電壓受限情況下，確保高容量單元電池過充電，直到低容量單元電池完全充足電。即使是對12V單體電池，這個過程也很慢。

［2］中闡明了需要均衡充電的其他因素。在不均衡充電情況下，幾組12V鉛酸蓄電池串聯(lián)起來進行循環(huán)試驗。作為單體電池時，它們至少可進行400次循環(huán)。然而充電時如果不能保證制造商規(guī)定的過充電時間，而這在很大程度上涉及到平衡時間，蓄電池組工作不到30次就無法再使用。

均衡充電必須考慮的關(guān)鍵問題為:均衡充電過程需要單元電池電壓匹配，而真正需要匹配的是荷電狀態(tài)(state-of-charge，SOC)，那么電壓是否可以精確替代SOC;如何準確匹配單元電池，以使均衡充電過程有意義;均衡充電的優(yōu)勢是什么，是否會延長蓄電池壽命，降低成本?文章以閥控式鉛酸蓄電池(valve-regulated lead-acid，VRLA)為例，探究了上述問題。

二、電壓平衡

均衡充電目的是在一系列單元電池間匹配SOC。由于蓄電池組的充電電壓一致，結(jié)果則為電壓匹配。然而，電壓與SOC之間的關(guān)系并非直截了當。2V鉛酸蓄電池靜置30分鐘后測量開路電壓，所得開路電壓與SOC的關(guān)系如圖1所示。

圖1表明，蓄電池開路電壓與SOC間的關(guān)系單一，線性且明確。在0～100%的SOC變化范圍內(nèi)，電壓變化約為0.2V。相當于1%的SOC變化對應(yīng)于2mV。從圖1中可得兩個推論:穩(wěn)態(tài)下的鉛酸蓄電池，電壓可反映SOC狀態(tài);穩(wěn)態(tài)時，單元-單元10mV電壓波動對應(yīng)于5%的SOC變化。其他情況下，結(jié)果則較為復雜。例如鋰離子電池，在0～100%的SOC變化范圍，電壓并未表現(xiàn)出顯著變化。雖然關(guān)系單一，但并非線性。文獻［3］證實，鋰離子電池LiMnO4和LiFePO4開路電壓和SOC關(guān)系如圖2所示。

由鉛酸蓄電池均衡充電可以推論，均衡充電同樣可應(yīng)用于鋰離子電池組。但是對于其平坦的開路電壓-SOC配置特性而言，只有非常精確的電壓匹配，才能達到良好效果。

在動態(tài)充電條件下解釋上述行為則相對復雜。充電電流較小時會反映類似行為，但充電電流過大時則會扭曲電壓行為，從而導致錯誤結(jié)果。對兩個12單元鉛酸蓄電池組，分別在有均衡充電和沒有均衡充電條件下測試。鉛酸蓄電池標定容量為5A·h，以1/10放電率放電，以評估鉛酸蓄電池的電壓波動行為，結(jié)果如圖3和圖4所示［2］。測試電池1連接有外部電路，以分流過充電流來實現(xiàn)部分均衡充電。由圖3可知，在測試循環(huán)內(nèi)，測試電池1的單元-單元電壓差異保持于約12mV;測試電池2沒有均衡充電作用，約13個周期后，測試電池2單元-單元電壓差異開始漂移，15個周期后，測試電池2單元-單元電壓差異上升到約15mV。由圖4可知，從約15個周期開始，測試電池2容量開始下降。試驗表明，15mV是基于均衡充電作用的上限。

根據(jù)圖1開路電壓和圖3、圖4充電條件下動態(tài)電壓分析，可以得出結(jié)論:電流受限條件下，電壓匹配是鉛酸蓄電池SOC匹配的有效方式。只有保持蓄電池單元-單元電壓差異約10mV或者更小，才會有均衡效果，這可以通過單元電池狀態(tài)管理實現(xiàn)。而偏離此容量的單元電池，必須更換。

生產(chǎn)商指定的各種蓄電池循環(huán)次數(shù)為幾百次甚至幾千次。一般而言，串聯(lián)蓄電池組無法達到這個水平。應(yīng)用單元電池和串聯(lián)蓄電池組的唯一差別在于對單元電池電壓的管理，均衡充電過程會確保串聯(lián)蓄電池組像單個單元電池那樣工作［4］。

三、均衡充電優(yōu)勢

為了使低容量單元電池完全充電，傳統(tǒng)的均衡充電方法是主充電過程之后，提供強制過充電時間間隔。它依賴單元電池的特性來恢復匹配，可稱為被動均衡充電。但是，被動均衡充電以析氣和大容量單元電池溫升為代價，并且過程緩慢。

蓄電池組中，單體電池電壓一般為6V或12V。隨著循環(huán)次數(shù)增多，蓄電池組故障通常表現(xiàn)為單體電池容量衰退。均衡充電意味著強制過充電時間增長，但是長時間過充電可導致熱失控。在更高電壓水平下充電時，均衡充電時間隨單元電池數(shù)量的平方而增長［2］。即使是24V的單體電池，也需要有效均衡充電過程。需要外部活動進程來補充被動均衡充電，以加速單元電池匹配和維持循環(huán)壽命。以兩只12V單體鉛酸蓄電池串聯(lián)進行充電測試，充電初期，測試電池1比測試電池2的SOC高10%。經(jīng)過長時間充電后，蓄電池電壓差異如圖5所示。

由圖5可知，60h后，2組蓄電池電壓差異下降為約2V。但即使如此，也需要幾周的時間來恢復均衡。一般而言，蓄電池組中電池數(shù)量越多，越難以保證每個單元電池有足夠電壓。電動汽車和混合動力汽車往往使用串聯(lián)蓄電池，由于其高電壓、高放電率，因而對蓄電池性能要求更高。

均衡充電支持SOC匹配，優(yōu)勢如下:首先，均衡充電的蓄電池組會表現(xiàn)出和單元電池相同的壽命。在合適電荷限制下，蓄電池循環(huán)次數(shù)可達到制造商評級的循環(huán)次;其次，避免了與不均衡充電有關(guān)的故障模式，不會發(fā)生低容量單元電池反復充電不足，最終失效的現(xiàn);最后，如果單元-單元均衡，則沒有必要進行強制過充電，也就是說，主動均衡充電可以降低充電電壓，低電壓可降低熱失控可能性，減少析氣，高容量單元電池無需承受過充電壓力。其他優(yōu)點還包括可互換性。許多用戶建議將串聯(lián)蓄電池組制作為緊密匹配的單元電池，以便在單元電池失衡之前增加循環(huán)次數(shù)。采用主動均衡充電技術(shù)可將單元電池聚集在一起，無需嚴格初始匹配。如果單元電池有缺陷或發(fā)生故障，主動均衡充電技術(shù)支持有缺陷的單元電池更換，且不會導致額外的單元電池不匹配。蓄電池組循環(huán)壽命增長，加上更換個別單元電池而非整體蓄電池組，因此成本顯著降低。

總之，有效均衡充電能擴展蓄電池組循環(huán)壽命，從而達到單個電池或單元電池的水平;避免和單元電池不平衡相關(guān)的故障模式;發(fā)生故障時，允許更換某個單元電池或單體電池;防止單元電池充電不足而導致蓄電池組性能弱化。在蓄電池應(yīng)用上，所有這些效用會顯著節(jié)約成本。

四、均衡充電技術(shù)

上述討論表明，對于單元電池或單體電池而言，可將其循環(huán)壽命延長到制造商承諾的水平。并且，在實踐中確實有不同思路，從不同角度來確認主動均衡充電的優(yōu)勢。

使用分布式充電系統(tǒng)，由多個充電器為單元電池獨立充電。這等同于單體電池的主動均衡充電，加入分布式充電系統(tǒng)后可以實現(xiàn)蓄電池性能改進明顯。

參考文獻［2］應(yīng)用主動均衡器對傳統(tǒng)鉛酸蓄電池進行了測試，如圖6所示。圖6中，D1和D2為驅(qū)動電路接口，Cf為濾波電容，Ce為均衡電容，B1和B2為要均衡的蓄電池。

使用了兩組測試電池，其中一組采用2.30V/單元電池充電，主動均衡器保持蓄電池的單元-單元間的10mV匹配;另外一組采用2.45V/單元電池進行被動均衡充電。被動均衡充電僅約6個周期后，單元電池電壓偏差開始上升到10mV以上。測試期間同時進行了失水測定，主動均衡充電比被動均衡充電水損失減少40%。

參考文獻［5］介紹了依靠電容器切換實現(xiàn)均衡充電的方法，如圖7所示。圖7中，q(t)為電容器時鐘切換電路，用于控制單刀雙擲開關(guān)換位;C1、C2、C3為電容，B1、B2、B3和B4為要均衡的蓄電池。

圖7所示過程擁有幾個關(guān)鍵競爭優(yōu)勢:簡單而直接，可精確匹配電壓;消耗能量少，并且可在充電和放電過程中連續(xù)使用;硬件模塊化，可在單元-單元或單塊-單塊基礎(chǔ)上配置，實現(xiàn)小型化;制造成本低，不需要特殊控件或零件;問題簡單化，均衡充電過程獨立于充電過程，可獨立設(shè)定外部電流和電壓。

使用主動均衡充電技術(shù)，可使串聯(lián)蓄電池循環(huán)壽命達到類似的單體電池壽命。研究結(jié)果證實，只有將電壓不平衡保持在低水平，才能保持性能不會下降。只有電壓不均衡度低于10mV/單元電池，才會有上述優(yōu)勢。實際應(yīng)用中，一旦均衡充電到位，蓄電池組總體性能改善明顯，SOC可在0～100%范圍內(nèi)恢復而不顯現(xiàn)任何不平衡。

五、結(jié)論

對短蓄電池組系列，可以用傳統(tǒng)的被動均衡充電。但對高容量蓄電池組，由于蓄電池塊數(shù)增多，被動均衡充電迅速失去效力。蓄電池組均衡充電益處明顯:循環(huán)壽命更長，故障模式更少，維修簡單，因此蓄電池組應(yīng)用均衡充電可節(jié)約成本。有效利用串聯(lián)蓄電池組需要單元-單元的SOC匹配以保持性能。一般來說，SOC匹配可以通過精確的電壓匹配實現(xiàn)。對鉛酸蓄電池，電壓匹配為10mV/單元電池。參考文獻［5］提供的技術(shù)，無需傳感器或控制，能完美匹配電壓，是已知的成本最低的主動均衡充電方法。至今所有結(jié)果表明，它可以成功地實現(xiàn)均衡充電性能改進。

參考文獻

［1］Lohner A，Karden E，DeDoncker R.W.Charge equalizing and lifetime increasing with a new charging method for VRLA batteries.Proceeding of IEEE International Telecommunications Energy Conference，1997:407 ～411

［2］West S，Krein P T.Equalization of valve-regulated lead-acid batteries:issues and life tests.Proceeding of IEEE International Telecommunications Energy Conference，2000:439～446

［3］時瑋，姜久春，李索宇，賈容達.磷酸鐵鋰電池SOC估算方法研究［J］.電子測量與儀器學報，2010，24(8):769～773

［4］冉建國，陳勝軍.通過電池均衡提高鉛酸蓄電池組壽命［J］.電源技術(shù)，2006，30(7):576～577

［5］Pascual C，Krein P T.Switched capacitor system for automatic series battery equalization.Proceeding of IEEE Applied Power Electronics Conference，1997:848～854