铅酸蓄电池的充放电均衡方法_袁翔

文章编号:1000-9779(2005)03-0011-05
铅酸蓄电池的充放电均衡方法
袁 翔1,黄 威2,何彦平1,黄 鹏2
(1.长沙理工大学,湖南长沙 410076; 2.湖南交通职业技术学院,湖南长沙 410007)
摘 要:从铅酸蓄电池的常用充电方法出发,分析了蓄电池组充放电过程的不均衡现象及其
产生的原因,并简要介绍了目前常用的铅酸蓄电池的充放电均衡方法及其电路原理。

关键词:铅酸蓄电池;充电;放电;均衡
中图分类号:U 463.63 文献标识码:A
收稿日期:2004-11-28作者简介:袁 翔(1957 ),男,长沙理工大学副教授.
电动汽车作为具有零排放优点的 绿色 交通工具成为人们日益关注的焦点,而蓄电池及电池管理系统是电动汽车发展的 瓶颈 。

对此,世界各国都投入大量的人力物力进行开发研究,我国在这方面的研究才刚刚起步,即使美国等汽车工业发达国家的研制工作也还不完善,这其中有蓄电池技术与蓄电池充放电技术两大难点。

目前应用于电动汽车的蓄电池种类较多,如铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锌-空气电池、钠硫蓄电池以及燃料电池等。

其中,铅酸蓄电池具有通用、廉价、比功率适中、高倍率放电性能好、温度特性好、效率较高等优点,而且其比能量近年来也有较大提高,因而被广泛应用于电动汽车。

因此,本文以铅酸蓄电池为研究对象,介绍目前几种典型的充放电均衡方法。

1 铅酸蓄电池的不均衡现象及其产生的原因
在车辆行驶的动态过程中,电池的电压不一致性表现十分明显[1]。

以试验用电动大客车采用的铅酸蓄电池组中串联的两块电池为例,两块放电前电压基本一致的电池,在放电瞬间,两块电池的电压差最大可达0.5V 。

停止放电时,电池的平稳电压又趋于一致。

随着使用时间的增加,各单体蓄电池的电压分散程度增加,经过验证,电池组各单体蓄电池电压的平均值和标准差分布呈正态分布[1]。

在使用过程中蓄电池组中的各个蓄电池单体的寿命差异很大,这是因为: 电池组是串联形式,而各电池单体的容量和性能不相同,这就造成充放电的不均衡; 电池组在使用过程中,各单体受温度场不一致等因素的影响,使得老化过程不一致; 不断重复的充放电过程更加剧了不均衡现象,由于 水桶原理 ,性能差的电池寿命缩短会引起所在的电池组的寿命缩短[2]。

为了解决这个问题,在提供实现均衡的温度条件的前提下,必须实行均衡充放电,使得性能不同的蓄电池能够同时充满和放完。

蓄电池产生不一致性的原因主要有以下几个方面[2]:
1)在制造过程中,由于工艺上的问题、材质的不均匀和老化过程的差别,导致即使是同厂同型号的电池在容量、内阻、电压上也不可能完全一致;
2)在装车使用时,受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的影响,在一定程度上也增加了电池参数的不一致性;
3)各蓄电池单体板栅的腐蚀速率不同。

第21卷第3期2005年9月 长沙交通学院学报JOURNAL OF CHANGSHA COMM UNICATIONS U NIVERSITY Vol.21No.3Sept. 2005
2 目前电池的均衡充电方法及其优缺点
电池的充电均衡,是指电池组在串联充电过程中通过一定的装置和控制规则使每个电池单体都能充到自己的最大电量而又不过充。

如果没有充电均衡,那么由于蓄电池单体状况不一致,而流过其中的电流却是一样的。

这样,若充电的控制规则以大容量电池的充电情况作为判据,则小容量电池必定过充;相反,若以小容量电池的情况作为判据,则大容量电池不能充满。

图1 电容均衡法目前国内外对于蓄电池的充电均衡方面做得比较成熟,
有很多充电均衡的资料[3~
5]和系统可供借鉴。

大致而言,充
电均衡可分为以下几类。

2.1 能量搬迁均衡法
此方法以均衡电容为能量储存元件,以各蓄电池单体的
电压为均衡对象,通过均衡电容和相应的电路,使各蓄电池的
电压保持一致,见图1。

均衡充电时,使电容依次与各蓄电池
连接,通过电容的充放电作用,使电压高的蓄电池向电压低的
蓄电池充电,直到各蓄电池的电压趋于一致。

这一类包括共
电容均衡法、(相邻蓄电池间)电容均衡法。

这种方法解决了蓄电池单体电压不平衡问题,但电池组中性能差的蓄电池在充电过程中,其端电压反而比其他蓄电池高,均衡的结果是性能差的蓄电池给性能好的蓄电池补充能量,加大了电池组中各蓄电池容量的差距。

另外,对于蓄电池的串联充电,电路难以实现均衡控制,布线也较多,从而带来绝缘
问题。

图2 能量耗散均衡法2.2 能量耗散(旁路分流)均衡法
能量耗散均衡法[6]是给各电池单体提供并联分
流支路,将剩余容量过高的电池的电荷通过分流支路
转移,限制蓄电池单体出现过高或过低的端电压,它实
际上是属于电压均衡法,如图2所示。

这是最简单和
最廉价的方法,目前应用广泛,但是这种方法需要大功
率的电阻,大电流的开关,而且会浪费很多宝贵的蓄电
池能源,把分流电阻置于电池箱内也会导致电池箱内
温度升高,造成安全问题,
同时加速了蓄电池的老化。

图3 开关变压器均衡法
针对这些缺点,作者设计了半导体制冷式均衡充
电电路,将电池的过充能量用半导体制冷器件吸收产
生 冷能 ;所产生 冷能 用于每个单体电池的冷却,抵
消电池在充电过程中产生的热量;实验结果表明,该方
法能有效地解决蓄电池组充电过程的不均衡和发热问
题,并且提高了电能的利用率。

2.3 能量变换均衡法
能量变换均衡法[6]是依据高频开关电源(SMPS)
的原理和技术设计,基本的电源电路包括非隔离式的
Buck 、Boost 、Buck Boost 、Cuk 、Sepic 、Zeta,隔离式的有
Forw ard 、Flyback 、Push Pull 、Half Bridg e 、Full Bridge 、Iso-Cuk 等。

充电时小容量电池充入较少能量,分流电路吸收电能,放电时分流电路补充能量。

能量变换器应该实现双向变换。

能量变换均衡法包括单次级绕组变压器均衡法(图3)、多次级绕组变压器式均衡法、分离变压器式均衡法。

12 长 沙 交 通 学 院 学 报 第21卷
3 目前电池的均衡放电方法及其优缺点
电池的放电均衡,是指电池组在串联放电过程中通过一定的装置和控制规则使每个已充满的电池单体都能放出自己的最大电量而又不过放。

如果没有放电均衡,尽管蓄电池单体状况不一致,而流过其中的电流却是一样的。

这样,若放电的控制规则以大容量电池的放电情况作为判据,则小容量电池必定过放;相反,若以小容量电池的情况作为判据,则大容量电池不能放完,造成每个蓄电池比能量的浪费。

只有集中了充、放电均衡优点的方法,才能使得初始容量有差异的电池单体在工作中能共同达到寿命的终点。

目前,国内在电池的放电均衡方面尚未见相关报道,在国外有一些电池放电均衡的报道[7~11],但它们多为以均衡电容为能量储存元件的能量搬迁均衡法。

针对放电过程和蓄电池的特点,作者设计了一种总线取能均衡充放电系统,实现了电池充放电过程的均衡。

3.1 总线取能放电均衡的原理和功能
总线取能均衡充放电系统原理见图4,它由安装于每一个单体电池上的充放电均衡器和充放电均衡总控制器组成。

各个充放电均衡器采集电池的电压、电流、温度参数值,并传给充放电均衡总控制器,然后根据总控制器返回的控制指令,对各单电池进行相应的操作,
实现电池的充放电均衡。

图4 充放电均衡电路
充放电均衡电路的原理是:充电时,先对电池组总体串联充电,当充电到均衡点时t 3(图5),就将充电方式转变为总体串联充电加上对各个好电池的并联补充充电,只要控制参数选择得合理,便能使每个电池同时到达充电终止点t 0;从而避免出现某些电池未充满或是过度充电的情况。

放电时,先对电池组串联总体放电,当放电到均衡点时t c (图6),从电源总线取出适当的电能对电量不足的单体电池进行补充电流,使之处于一边充电一边放电状态。

只要控制参数选择得合理,便能使所有电池能在同一时间内放到放电终止点t 0,避免出现过度放电的情况。

3.2 充放电的模拟均衡
为了验证总线取能均衡思想,作者到某电动车实验运营管理中心进行了充放电的模拟均衡试验。

试验蓄电池为某厂生产的铅酸蓄电池,额定电压2V,额定容量350A h,取得了大量数据。

模拟试验原理见图7。

每次试验做2个充放电循环,在Arbin 测试设备EVTS 上做,将蓄电池按照其状态分为好、中、差三类两两组合,并按照图7所示电路接线,分别依次做完以下实验。

13第3期 袁 翔,黄 威,何彦平,等:铅酸蓄电池的充放电均衡方法
图5 充电均衡的示意图
图6
放电均衡的示意图
图7 模拟均衡接线图
充电时,K 1断开,对两个蓄电池进
行串联均衡充电,总的充电电流为I 1=
100A,均衡电流为I 2=30A 。

假设蓄
电池容量Q B 1<Q B 2(否则要进行对换),
在充电初期,K 2闭合,K 3断开,此时
B 1、B 2以相同的电流充电;到了充电后
期,蓄电池B 1将比B 2充的快,这时就
出现不均衡现象,因此,在某一时刻将开
关K 3闭合,对蓄电池B 2进行均衡充
电,保证B 2能和B 1同时充满。

放电时,K 1闭合,K 2、K 3断开,对蓄电池进行串联放电,假设蓄电池容量Q B 1>Q B 2(否则要进行
对换),在放电后期,因为两个蓄电池容量不同,而放电电流相同,就会出现电池间的不均衡现象,根据假设,在某一时刻将开关K 3闭合,对B 2模拟均衡放电,使B 2与B 1同时放完。

其结果见图8、图9。

图8 蓄电池没有均衡时的放电
图9 蓄电池有均衡时的串联放电
对比图8和图9可以看出:
1)蓄电池组放电时间长了很多,因而能放出更多的电量;
2)放电终了时,蓄电池电池的端电压之差由0.35V 减小到0V;
3)均衡电路对好电池的影响不大,对差电池作用明显。

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4 结 语
充放电均衡对于延长蓄电池寿命、提高电动汽的性能、降低使用费用都极为有利,但是目前国内外在这两个方向上研究进展不一,对于放电均衡都不太重视,使得电池的充放电管理及能源管理系统成了 跛脚 。

这在一定程度上影响了铅酸蓄电池在电动汽车中的的使用。

虽然作者设计的总线取能均衡充放电系统还处于测试、改进阶段,具体的整车实验情况还有待进行,但相信在这个方向上的研究对于电动汽车的推广使用具有良好的经济效益和积极的社会效益。

关于均衡电路的实际均衡效果将会在以后的文章中陆续发表。

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(1.Changsha U niversity of Science and T echnology,Changsha 410076,China;
2.Hunan Communication Polytechnic,Changsha 410004,China)
Abstract :Based on the ordinary charging methods of the lead -acid battery,the authors analyze the unbalanced phenomena of the charge &discharge of battery pack and their causes.Further,some equalization methods for charge &discharge of battery pack and the electric circuit principles are introduced briefly.
Key words :lead -acid battery;charge;discharge;equalization 15第3期 袁 翔,黄 威,何彦平,等:铅酸蓄电池的充放电均衡方法。