大功率的電動汽車所使用的鋰離子電池組是由多節(jié)單體鋰離子電池串聯(lián)，以獲得較高的輸出電壓，但是，鋰離子電池組和單體鋰離子電池在使用上存在很大區(qū)別。在電池組中，各單體鋰離子電池在生產(chǎn)制造中必然存在個體差異，在使用中老化程度也不一樣，若不在充電過程中采取措施，這種差異將被累積甚至擴大，導(dǎo)致整個電池組的性能大打折扣或電池組壽命嚴重縮短。另外，由于電池組容量較大，采用傳統(tǒng)的充電方式效率低，充電時間長，嚴重阻礙了電動汽車的推廣。

　　因此，快速有效安全可靠的充電系統(tǒng)是目前電動汽車行業(yè)重點研發(fā)的技術(shù)。

　　目前常用的快充方法

　　鋰離子電池的充電方法有很多種，常用的充電方法有恒定電流充電法、恒定電壓充電法、恒流/恒壓充電法、變流充電法、脈沖充電法、間歇充電法等。

　　其中，恒定電壓充電法和恒定電流充電法都比較簡單，然而，不足也十分明顯。恒壓充電初期電流過大，而恒流充電后期電流過大。

　　因此，人們提出了恒流/恒壓充電法采用分段充電的方式，來減少對于電池的損害。一般情況下，該方法與單純恒流或恒壓發(fā)可以提高電池5%-10%的使用壽命。在此基礎(chǔ)上，更加智能化的變流充電法近幾年也應(yīng)運而生。

　　理想化的充電過程是充電電流始終逼近可接受的充電電流值。變流充電法通過對電池狀態(tài)進行檢測，確定起始電流，再進行恒流充電，同時對電池狀態(tài)進行實時檢測，當(dāng)電池狀態(tài)達到該恒流充電分段終止標(biāo)準(zhǔn)時，結(jié)束該分段，調(diào)整電流值，進入下一分段，直至電池狀態(tài)達到設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)時，終止變流充電，進入恒壓充電，以確保電池完全充滿。

　　然而，變流充電法的主要困難在于確定各階段恒流充電電流值，選取適當(dāng)?shù)膮?shù)作為階段恒流充電終止的判斷依據(jù)。

　　同時，在變流充電法中，通過提高初始階段的充電電流來實現(xiàn)快速充電的目的。但實際上，充電電流過大會造成電池產(chǎn)生極化現(xiàn)象而縮短壽命。為了在保證效率的前提下盡可能的減小極化反應(yīng)，研究人員通過對不同充電波形使電池產(chǎn)生的極化情況進行比較，提出了間歇充電和脈沖充電的方法。

　　隨著，人們對于鋰電池充電特性認識的提高和快速充電設(shè)備的技術(shù)改進和成本的下降。綜合利用各種充電方法大幅提高鋰電池充電速度，延長充電壽命并非是一件不可能的事情。

　　均衡充電不可忽視

　　電動汽車用鋰離子電池組通過多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)以獲得高輸出電壓。由于各單體電池在生產(chǎn)制造和使用過程中電池特性必然存在差異，造成這種差異的原因有：在生產(chǎn)過程中，由于加工工藝等原因，同批次電池的容量和內(nèi)阻都可能存在差異；使用過程中由于溫度等差異造成電池使用不平衡；不同電池之間的放電情況存在差異。這些差異長時間累積，必然造成電池狀態(tài)的不平衡，長期使用必將導(dǎo)致各電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)不均衡，從而影響整個電池組的實際容量，縮短壽命，造成浪費，增大成本。

　　在傳統(tǒng)的電池組充電中，人們往往通過過充來實現(xiàn)整體電池組中各個電池的均衡充電。

　　然而，和其他電池相比，鋰離子電池幾乎沒有耐過充的能力，在電池荷電狀態(tài)已滿時，若繼續(xù)充電，電池的電壓將繼續(xù)升高。電壓過高會造成鋰離子在負極積累，解析出金屬鋰，使電池的蓄電能力喪失，而且這一過程是不可逆的，同時，電解液發(fā)生電解，析出氫氣和氧氣，伴隨著大量熱量的產(chǎn)生，電池溫度逐漸升高，氫氣和氧氣有可能發(fā)生爆炸。實驗數(shù)據(jù)證明，過充電將嚴重減少電池的充電循環(huán)次數(shù)。

　　如何實現(xiàn)均衡充電

　　目前均衡控制的方法，按照能耗主要分為能量耗散式、能量轉(zhuǎn)換式、能量轉(zhuǎn)移式。

　　能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進行放電來實現(xiàn)均衡。常使用的方法是電流分流法。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，缺點是分流電阻始終在損耗功率，能效低，而且產(chǎn)生熱量比較大。電動汽車需要考慮能效的問題，否則無法大規(guī)模推廣，顯然，這種均衡方法不適用。

　　能量轉(zhuǎn)換式主要有兩種，一種是將電池組的整體電壓向饑餓的單體電池進行補充，另一種是將單體電壓向整體電壓進行轉(zhuǎn)化。這種方法的特點是充電速率很快，但在大量電池串聯(lián)充電時，由于需要大量的變壓器，磁場損耗大，均衡設(shè)備的體積很大，效率變低。因此，這種方法對電動汽車電池組充電也不適用。

　　能量轉(zhuǎn)移式是利用電容或電感等儲能元件將能量進行傳遞，在充電過程中，電池組中容量低的電池端電壓會比其他電池高，這時容量低的電池會對容量高的電池充電。常用的有電容法和電感法。

　　通過對以上各種均衡方法的特點相比較，本文認為電感式均衡電路較適用于電動汽車電池組充電均衡。電動汽車電池組具有大規(guī)模串聯(lián)的特點，因此，本文在電感相鄰均衡電路的基礎(chǔ)上，設(shè)計了大規(guī)模串聯(lián)電池組的電感式均衡控制電路，實現(xiàn)電池組內(nèi)各電池之間的電量轉(zhuǎn)移。

　　并在此基礎(chǔ)上，設(shè)計電池組充電電路，采用MCU進行控制，對電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)進行采樣，送入MCU中，并通過一定的算法，控制PWM輸出信號的占空比，控制脈沖充電電流，控制均衡電路的開關(guān)器件，實現(xiàn)均衡充電。

　　（作者為連云港廣播電視大學(xué)講師，原載《甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報》，有刪節(jié)。）

　　李國曉|文

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