基于灰色理论的电动汽车充电均衡控制

高金辉，朱元培，刘 永

(河南师范大学物理与电子工程学院，河南新乡453007)

电动汽车使用的动力电池往往是电池单体的串并联组成的电池组。各单体锂电池在生产制造中必然存在个体差异，而且在使用中老化程度也不一样，若不在充电过程中采取措施，这种差异将被累积甚至扩大。长期使用必将导致各电池的容量、内阻、端电压等参数不均衡，从而影响整个电池组的实际容量，缩短寿命，造成浪费，增大成本。

为解决以上问题，在充电过程中，只有通过某种方法，使充电完成时电池组的所有电池都能充满电，达到均衡状态，实现均衡控制。本文对现有充电均衡控制方法做了分析，提出一种新的基于灰色理论的充电均衡控制策略，并使用新方法进行了实验，验证了方法的可行性。

1 电池组充电均衡控制研究

1.1 充电均衡控制的必要性

电动汽车用锂离子电池组通过多节锂离子电池串联和并联以获得高输出电压和大容量。在生产过程中，由于加工工艺等原因，同批次电池的容量和内阻都可能存在差异；使用过程中由于温度等差异造成电池使用的不平衡；不同电池之间的放电情况存在差异等，长时间累积，将造成电池状态的不平衡。

在对串联电池组进行充电时，不能通过过充的方式使各单体电池达到饱和状态。若以容量大的电池充满为依据，必然导致容量小的电池过充电，损害电池；若以容量小的电池充满为依据，必然导致容量大的电池欠充电，这两种方式都不能达到均衡状态[1]。

电动汽车电池组需要频繁的充放电，随着充放电次数的增多，各电池的不均衡将不断加剧，形成恶性循环，最终造成整个电池组性能不断下降。

1.2 已有的充电均衡控制方法

目前均衡控制的方法主要有能量耗散式、能量转换式和能量转移式。

能量耗散式是指将电池组中电压较高的电池进行放电来实现均衡。每一个电池并联一个分流电阻，并通过开关进行控制，在充电过程中，当某个电池电压偏高时，其分流开关闭合，电池进行分流。这种方法结构简单，容易实现，缺点是分流电阻始终在损耗功率，能效低，而且产生较大的热量。

能量转换式主要使用线圈进行转换。能量转换法对充电电流进行均衡，充电速率很快，但在大量电池串联充电时，需要大量的变压器，磁场损耗大，均衡设备体积大，效率变低。

能量转移式是利用电容或电感等储能元件将能量进行传递。在充电过程中，通过微控制单元(MCU)控制开关的切换，先由电压最高的电池向电容充电，再由电容向电压低的电池充电，并多次重复这个过程。这种均衡电路的优点是结构简单，体积可以做的很小，缺点是需要大量的电力电子开关器件，损耗大，需要的时间也较长[2]。

通过对以上各种均衡方法特点的比较，本文设计了一种基于灰色理论预测的变电流均衡充电策略，在电池电压达到4.0 V时，即开始均衡控制，当到达4.2 V时充电结束，节省了大量时间，提高了效率。

2 基于灰色理论的充电均衡控制策略

2.1 基于灰色理论预测均衡充电控制

本文设计的基于灰色理论充电均衡控制主要由PC、充电机、灰色理论控制模块、电压检测模块组成，如图1所示。系统中最重要的部分是控制模块和电压检测电路。PC可以随时显示电池的电压电流波形，还可以长期记录电池的电压和电流。

图1 基于灰色理论充电均衡控制结构

2.2 电池电压检测电路

电池电压检测电路主要由类比数字转换器 (ADC0804)和四路运算放大器(LM324)组成，其结构如图2所示。

图2 电池电压检测电路

该电路的主要作用是在检测时间内及时准确测量出电池的电压。其工作过程为：继电器通电吸合，系统处于检测状态，电池电压经过减法器，送到ADC0804，最终传至灰色理论控制模块。经过灰色理论控制模块预测与查表，选取合适的电流对电池充电。检测电路的测量范围在2.5～5.06 V之间，分辨率为0.01 V，能够准确测量电池电压，充电结束时，可以使电池达到最佳状态。

2.3 基于灰色理论的电池充电控制

锂离子电池的充电电压可以看作是一个非负序列，并且它的响应也相对比较平稳，因此就可以采用灰色差分型GM (1，1)模型预测电压下一个状态，从而能够更加准确地掌握合适的电池充电电流，大大缩短了电池的充电时间[3-4]。灰色理论的充电均衡控制流程如图3所示。

图3 基于灰色理论的电池充电策略流程图

灰色理论控制策略充电模型的电流计算公式为：

式中：V0是电池测量电压，V；V0是灰色预测的电压值[5-6]，V。

系统运行过程为：初始化系统，包括初始化充电机和检测系统等。在电池电压达到4.0 V前，系统保持恒定电流(初始值)向电池充电。当电池电压达到4.0 V时，进入灰色理论控制状态，系统运行灰色算法，对电池的下一状态进行预测，并经过计算选取合适的充电电流对电池进行充电，保持TS时间后，进入下一个检测周期。如此循环，直到电池电压达到4.2 V时，充电结束。整个过程中电池的状态可以由PC实时显示并记录，为电池组的维修及性能升级提供了准确的数据资料。

3 实验结果

经过多次实验，TS选取为30 s，充电效果最理想，初始电流值为0.55C，对30个电池组成的电池组进行充电实验，充电结束各单体电池的电压如表1所示。

充电电流的初始值为0.55C，在电池电压达到4.0 V时，系统变为变电流充电，充电状态如图4所示。

由图5可知，灰色预测充电控制的充电速度比传统的控制策略要快，在120 min时，已经充满；在充电末期会以缓和的速度接近充电截止电压，不容易产生过充现象。

表1 锂电池组充电数据

图4 灰色充电控制策略的充电电流曲线

图5 灰色预测式与传统充电控制策略的电压曲线

4 结论

本文通过对多种传统充电均衡控制的分析研究，综合各种方式的优缺点，提出了一种基于灰色理论的充电均衡控制策略，通过实验证明，充电速度要比一般均衡控制有所提高，并且充电结束电压非常均衡。整个过程的电池状态可以实时显示并记录，为电池组维修及性能的升级提供了必要的资料，具有良好的发展前景。

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