一組鋰離子電池由串聯(lián)多個(gè)單體電池組成，充電時(shí)通過(guò)每個(gè)單體電池的電流相等，但由于每個(gè)單體電池容量的差異，會(huì)出現(xiàn)充放不完全的現(xiàn)象，加之鋰離子電池的自然老化，還會(huì)加劇電池單元容量的變化，統(tǒng)計(jì)上表現(xiàn)為電池組中的單個(gè)電池單元容量的正態(tài)分布的均值左移，且峭度逐漸減小，甚至經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，小部分電池單元的有效容量近乎為零，如圖1所示。為解決充電過(guò)程中由電池組的不均衡所帶來(lái)的問(wèn)題，需要在充電過(guò)程中采取各種控制手段，使所有電池在溫升正常的前提下，能同時(shí)充足電，以實(shí)現(xiàn)均衡充電。

1 系統(tǒng)概述
鋰電池組均衡控制系統(tǒng)由如圖2所示的檢測(cè)部分和均衡控制部分組成。充電過(guò)程由控制器STM32F103RB進(jìn)行統(tǒng)一管理，包括轉(zhuǎn)換充電方式，檢測(cè)電池的狀態(tài)以及進(jìn)行充電均衡控制等。由于STM32F103RB內(nèi)置有128 kB的Flash和20 kB的SRAM，而且有豐富的增強(qiáng)I／O端口和外設(shè)：包含16通道12位的ADC、4個(gè)通用16位定時(shí)器、1路CAN總線(xiàn)接口等，所以其能滿(mǎn)足各種場(chǎng)合下的要求，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋰離子電池的智能充電控制。系統(tǒng)選用電池監(jiān)測(cè)芯片DS2438來(lái)檢測(cè)電池的端電壓和電池溫度。由于DS2438內(nèi)部有A／D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字溫度傳感器，在鋰電池的均衡控制過(guò)程中要獲得電池電壓、溫度，只需ARM處理器對(duì)其發(fā)出采集電壓、溫度的控制命令即可。DS2438采用單線(xiàn)制，僅占用ARM處理器的少量口線(xiàn)。另外，每片DS2438都擁有唯一的序列號(hào)，系統(tǒng)中的每個(gè)電池由一個(gè)芯片來(lái)標(biāo)識(shí)，方便觀(guān)察及記錄單體電池的狀態(tài)。主控制器與充電樁進(jìn)行通信，反饋電池的電壓、電流、溫度、電量等參數(shù)，以便充電樁向充電機(jī)發(fā)送控制指令、開(kāi)關(guān)量信號(hào)，對(duì)充電機(jī)的啟停進(jìn)行控制，并能獲取充電機(jī)的工作狀態(tài)信息。

2 均衡充電研究
均衡控制包括能量耗散型和能量轉(zhuǎn)移型兩大類(lèi)，均衡方法在理論上一般有分流電阻法、DC／DC變流器法、開(kāi)關(guān)電容法、飛渡電容法等。其中分流電阻法能耗較大，均衡速度慢，效率低。能量轉(zhuǎn)移型可使能量從高壓?jiǎn)误w變換到低壓?jiǎn)误w，動(dòng)態(tài)調(diào)整輸入輸出方向，具有最佳的均衡效率。逆變分壓均衡控制方法如圖3所示，均衡充電電源由電池組自身提供，采用變壓器耦合的多副邊結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)的電池組均衡電路主要由均衡開(kāi)關(guān)、采集控制以及變壓器設(shè)計(jì)3部分組成。其中采集控制是以STM32F103RB為核心的控制部分，主要完成從信號(hào)采集到發(fā)出控制命令在內(nèi)的任務(wù)。圖中Ca，Cb為儲(chǔ)能電容，C1，C2，…，Cn為濾波電容。E1，E2，…，En組成串聯(lián)電池組。PWM控制器、高頻變壓器T，以及IGBTQ1和IGBTQ2組成的DC—DC變換器構(gòu)成了均衡器，電路中開(kāi)關(guān)頻率為20 kHz。主控制器控制PWM波形發(fā)生器，通過(guò)改變Q1和Q2的脈寬實(shí)現(xiàn)副邊均衡單元均衡充電特性的調(diào)節(jié)。

以一個(gè)串聯(lián)電池組為例說(shuō)明逆變分壓均衡充電的原理。如果設(shè)第i個(gè)電池的端電壓為Ei，i=1，2，…，n)，PWM的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)占空比為，變壓器的各副邊繞組匝數(shù)相同且變比為Np：Ns。設(shè)E為該電池組的平均電壓，Ei和△Ei分別表示第i個(gè)電池的端電壓及其與電池總平均電壓的差值，Ui表示經(jīng)過(guò)逆變分壓后施加在第i個(gè)電池兩端的電壓，Ii表示第i個(gè)電池的充放電電流，其值的正、負(fù)分別表示充、放電。研究n個(gè)電池串聯(lián)時(shí)，當(dāng)?shù)趐，q個(gè)子電池的電壓較其他電池電壓低時(shí)，

由式(6)所示，容量較低的電池均衡充電電流與其偏離平均電壓值的程度成線(xiàn)性關(guān)系，偏離值越大，分配給其的均衡充電電流也越大，容量上升也越快，當(dāng)各電池電壓趨于一致時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入平衡狀態(tài)。這為控制系統(tǒng)的建立提供了理論依據(jù)。

3 均衡控制策略
3．1 模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)
基于模糊控制器具有較強(qiáng)邏輯推理功能，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制系統(tǒng)，如圖4所示。其中，R為系統(tǒng)設(shè)定的均衡值，模糊控制器的輸入為鋰離子電池端電壓e和端電壓與電池總平均電壓的差值△e，輸出為鋰離子電池的充電電流。通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，可實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)均衡值的調(diào)整。

3．2 控制策略
(1)在控制器的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，對(duì)鋰離子電池的充電控制方法，采用恒流轉(zhuǎn)恒壓充電控制法。在恒流充電模式下，以0．3 A的電流對(duì)鋰離子電池進(jìn)行充電，與此同時(shí)，微控制器循環(huán)采樣鋰離子電池端電壓值。待電壓達(dá)到4．2 V時(shí)，微控制器自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓充電狀態(tài)。在恒流充電狀態(tài)下，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)跟蹤單體電池的電壓并不斷調(diào)整程序中事先設(shè)定的均衡值，直到所有電池電壓近乎同時(shí)達(dá)到最高電壓，進(jìn)而找到合適的均衡值。
(2)主控制器不斷檢測(cè)子電池電壓并計(jì)算平均電壓，當(dāng)檢測(cè)到有電池的電壓低于平均電壓的差值達(dá)到程序設(shè)定的均衡值時(shí)，主控制器定時(shí)器就會(huì)產(chǎn)生兩路一定占空比的PWM信號(hào)，偏離預(yù)設(shè)值越大，PWM的占空比也就越大。該過(guò)程持續(xù)到各電池電壓等于平均電壓。如此循環(huán)，直到所有電池充電結(jié)束。
(3)如果檢測(cè)到某單體電池電壓與均值的差超出均衡值較大，而且其溫度比其他電池都高，此時(shí)可將其序號(hào)記錄下來(lái)，方便對(duì)其追蹤觀(guān)察及預(yù)測(cè)其報(bào)廢時(shí)間。設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)軟件流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
在實(shí)驗(yàn)室條件下，任意選取6節(jié)容量為10 Ah的鋰電池串聯(lián)成電池組作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，將設(shè)計(jì)的均衡控制策略通過(guò)Matlab的Simulink進(jìn)行仿真驗(yàn)證。充電開(kāi)始時(shí)，用3 A電流對(duì)電池組進(jìn)行恒電流充電，并在總電壓上升至24．8 V時(shí)由恒流充電轉(zhuǎn)為恒電壓充電，此時(shí)，充電電流不斷下降，當(dāng)其下降至0．3 A時(shí)停止充電。均衡前后各單體電池電壓曲線(xiàn)如圖6所示。

從圖中可以看出，均衡前單體電池的相對(duì)電壓差為0．104 V，而經(jīng)過(guò)均衡控制后縮小到0．056V。均衡后，單體電池的不一致性得到了控制。實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的均衡控制器，簡(jiǎn)單可靠、均衡性好，適用于電動(dòng)汽車(chē)儲(chǔ)能系統(tǒng)。