一种新型的电动车用电池均衡方法探讨

刘红锐，夏超英

(天津大学电气与自动化工程学院，天津 300072)

前言

随着环境污染和能源危机的加剧，电动汽车的发展受到世界各国的重视。制约电动汽车发展的关键技术之一就是如何有效地使用和管理蓄电池。由于锂离子电池体积小、质量轻、单体标称电压相对较高、循环寿命长和无记忆效应等优越的性能，受到市场的青睐。单个锂离子电池标称电压为3.6V左右，在应用中需要大量的单体电池的串联，以满足电动汽车的电压需求，各个单体电池性能的差异将影响和制约整个电池组的充放电能力，在电池串联使用中只要有一个单体电池达到充放电电压极限，整个电池组就应停止充放电，否则单体电池会发生过充或过放，严重影响其寿命。因此，对单体电池采取有效的均衡措施具有极其重要的实用价值和现实意义。

1 均衡方法

一个完整的电池管理系统，均衡是必不可少的。近十几年来出现了很多均衡方法，也有一些商业化专用集成芯片可供使用。从能量的耗散和转移角度来看，各种均衡方法分为能耗型均衡和非能耗型均衡两大类。

1.1 能耗型均衡

能耗型均衡的主要思想是在电池充放电过程中，对电池组中电压最高的单体电池通过并联电阻分流实现能耗均衡。电池管理芯片LTC6802－1可以监测12个单体电池的电压，还提供了均衡驱动输出端口，其电阻均衡电路如图1所示。

电阻能耗均衡方法仅适用于充电模式，在电池充电过程中用来抑制电压最高单体的电压的上升，其间伴随着电阻能量消耗，均衡电流小，一般为几十到几百mA，均衡时间比较长，是一种耗时耗能的均衡方法。

1.2 非能耗型均衡

非能耗型均衡的主要思想是通过电容、电感等储能元件，使能量在单体电池间或系统内部转移，它消耗能量小，是一种实用的均衡方式。

(1)电容均衡和电感均衡

文献［1］～文献［4］中采用电容均衡。由于电动汽车用锂离子电池的单体电压比较低，其单体电压为3.6V左右，单体间电压差值很小，而电容均衡是利用单体电池间的电压差进行均衡，再加上均衡回路中开关管的导通压降，均衡效果不明显。另外，均衡时电容电压的极性不变，故此方法必须采用双向导通的开关器件才能实现能量的转移，因此增加了控制的复杂程度。

文献［5］～文献［7］中采用电感均衡，均衡时能量在相邻单体间转移，经过多个循环后可使整个电池组各单体电池电压趋于一致。该方法一方面均衡速度受到了一定的限制;另一方面这种迂回的均衡方式对不需要均衡的单体电池也进行了多次充放电，无形中降低了电池的使用寿命。

(2)变压器均衡

文献［8］中采用同轴多副边绕组变压器均衡。通过变压器实现能量在单体电池与整个电池组间转移。每个单体电池都要对应变压器的一个副边窗口，因此对变压器的精度要求高，这样就增加了变压器设计的难度和成本。

2 一种新的均衡方案

针对上述电容均衡和电感均衡存在的问题，本文中提出了一种利用电感和电容进行均衡的新方案，该方案在电容上并联一个电感，并通过双向晶闸管来进行电感投切实现电池均衡。

2.1 工作原理

电路原理图如图2所示，3个单体电池串联，实际中根据需要可以串联多个，其工作原理相同。虚线框部分为均衡电路，它由电感L和L0、电容C、双向晶闸管S1、S2和A、B两组全控型开关器件组成。L0电感很小，主要是缓冲开关导通瞬间的冲击电流，在原理图中L0两端并联了一个二极管与电阻的串联支路，作为L0的能量释放回路。

经电池电压检测得知电池1电压最高，电池3电压最低，忽略均衡过程中开关器件的开关损耗，从能量转移的角度，把完成一个周期的均衡过程分成了4个阶段，如图2所示。

第1阶段(t0－t1):高压单体电池1向均衡电路转移能量，电感和电容同时储能。如图2中的回路①所示，t0时刻电感L0、L初始储能为零，即电流为零，电容C的初始电压为U0，此时控制A1、B2、S1导通，t1时刻，电感 L的电流上升到 I1，电容电压为U1c，电感 L0的电流到 I0，此时关断 A1、B2，第1阶段结束。电池1释放的能量W1为

第2阶段(t1－t2):均衡电路内部能量转移。t1时刻断开A1、B2后，LC形成单向振荡回路，如图2中的回路②所示，电感L的能量全部转移到电容C中，t2时刻电感L电流变为零，S1自然关断，第2阶段结束。电容电压由+U1c变为－U2c，则电容储能为

第3阶段(t2－t3):均衡电路向低压单体电池3转移能量。S1关断后，控制A4、B3导通，如图2中的回路③所示。电容向电池3充电，直到t3时刻关断A4、B3，第3阶段结束。电容电压由 －U2c变为－U3c，电感L0的电流从0上升为I03，则电池3吸收的能量W2为

第4阶段(t3－t4):电容电压极性反向。关断A4、B3，同时触发S2导通，LC形成单向振荡回路，如图2中的回路④所示。t4时刻S2自然关断，电容电压从－U3c变为+U4c，为下一轮的高压单体放电做准备，第4阶段结束。电容剩余储能为

经过一个均衡周期的4个阶段，完成能量由高压单体电池向低压单体电池转移。其实4阶段中都伴随着开关器件的开关损耗，本文中在降低开关损耗方面也采取了有效的控制策略。

图3为各开关器件的控制时序图，图中x、y、z是电池组中的单体电池序号，Tj为一个均衡周期。时序图中如果电池x是高压单体，那么电池y就是低压单体，通过开关器件的导通轮流将高压单体和低压单体电池与均衡电路的电容电压同极性并联。通过调节全控型开关器件的导通时间来控制电池与均衡电路间交换的能量的多少。

此均衡电路有以下几个特点:(1)用电容C和电感L来储存能量;(2)双向晶闸管投切电感，一方面使电感中的能量完全转移到电容中，提高均衡电路的能量转移能力，另一方面改变电容电压的极性，简化了控制电路;(3)A、B两组开关器件中的电流方向是单向的。

2.2 仿真验证

仿真实验选用两个单体锂离子电池，并在Matlab/Simulink环境下搭建了锂离子电池模型和仿真电路，在恒流充电过程中对电压不同的两个单体电池进行均衡仿真实验，记录了单体电池的电流波形和均衡电路中电感电流与电容电压的波形，并对仿真结果进行了分析。

2.2.1 仿真模型的建立

锂离子电池采用电动势与电阻串联模型，在仿真环境下采用受控电压源与一电阻串联实现，其受控电压源的输入信号为单体电池的SOC，输出即为单体电池的电动势E。由于在实验中采用50A恒流对额定容量为150A·h的两单体磷酸铁锂电池进行充电过程中的均衡，因此SOC用式(5)来表达。再根据图4所示的E-SOC曲线得到其函数E=f(SOC)，从而完成单体电池仿真模型的构建。

式中:SOC0为电池初始电量;I3为1/3倍率电流;Q为单体电池的额定容量。

2.2.2 仿真实验

仿真电路如图5所示，均衡电路中两组开关选用IGBT，双向晶闸管用两个反并联的晶闸管代替，其均衡电路和电池的封装模块如图中所示。为了分析方便而把单体电池的初始电量(SOC0)、单体电池的电压和电流等参数显示在电池封装模块上。同样为了方便观察和记录实验波形，将电容电压和电感L的电流作为均衡电路封装模块的输出。50A的恒流电流对两串联单体电池进行充电，两电池的初始电量分别为60.5%和60%，相对应的电压分别为3.901和3.898V，电池1的电压比电池2的电压高3mV，因此均衡时能量由电池1向电池2转移。

仿真时间选取了一个均衡周期，Tj=0.02s，则器件A和B导通周期为0.01s，S1和S2的触发脉冲周期与均衡周期相等。图6为均衡电路中电感电流波形和电容电压波形图，图7为均衡过程中两单体电池的电流波形图。图6和图7是在一组确定电感和电容参数下的仿真波形，为了突出电感和电容的变化对实验结果的影响，图8为分别对电感和电容值增大了2倍得到的仿真波形。

2.2.3 仿真结果分析

观察图6和图7的仿真波形，首先电池2释放能量，电池2的电流通过均衡电路分流，故其充电电流要小于50A，同时电感L储能，电感电流上升;接着电感中储存的能量完全转移到电容中，电容电压升高，电感电流下降到零;随后电容中的能量向电池1转移，电容电压下降，电池1的充电电流高于50A;最后电容电压反极性，如图6所示的最后部分电容电压极性由负变正。均衡过程与前面分析的4个阶段的工作原理一致。

在均衡周期和器件的导通周期一定的情况下，电感L和电容C参数的不同，将会影响均衡电路的时效性。

(1)当电感L增大时，在相同时间内其储能减小，则第2阶段结束后电容中的储能减小，由于电容值未变，则电容两端的电压值减小，最终电容向低压单体进行能量转移的能力减小，一个均衡周期内转移的能量也减小，见图8(a)和图8(b)。

(2)当电容C增大时，从图8(d)电池2的电流波形可以看出它释放的能量W1并没有减小，但由于电容C的增大，使电容电压值减小，电容电压值减去两个开关管的导通压降后必须大于受均衡的低压单体电池的端电压时，才能实现能量向低压单体转移。虽然高压单体电池释放的能量基本没变，但最终转移到低压电池中的能量却变的很小，要达到相同的均衡效果，此时耗费的时间变长，从图8(c)电容电压波形底部看，电压变化幅度很小，即能量转移的效率降低。

本文中的电感和电容值都是在反复实验的基础上抽取的一组典型的数据。其选取既要考虑被均衡单体电池的标称电压值，又要兼顾均衡的时效性。

在对150A·h的磷酸铁锂电池以C/3恒流充电均衡仿真实验中，均衡时电池电流并不大，如图7所示的最高电流为65A，这样保证了对电池的合理使用，有利于延长单体电池和整个电池组的使用寿命，无形中也降低了电动汽车的成本，更利于电动汽车的长期发展。

2.2.4 减小开关损耗的措施

(1)为减小开关器件的开关损耗，控制A、B两组开关器件导通时，A组开关器件是开关控制，B组开关采用电平控制(常开)。

(2)第1阶段谐振电路中，为降低开关器件的关断损耗，选择电感L0两端的电压谐振过零的时刻关断A、B两组开关。

(3)当电容储能比较高时，在第3阶段会出现很高的充电电流峰值，此时需要提高开关器件的开关频率，采用PWM控制，这样既控制了充电电流又不会因为频率的提高而增加开关损耗，同时提高了能量转移的能力。

2.2.5 此方案要解决的关键问题

(1)根据实际情况，选择合适的电感和电容值，控制电容上的电压值。为了系统安全，有必要在均衡回路中增加零电流检测，保证开关器件安全切换。

(2)均衡电路中用到大量的开关器件，合理选择开关器件和保护电路，兼顾均衡效率和均衡电路的损耗，达到均衡目的。最后进行均衡电路的软硬件实现。

3 结论

在分析几种均衡方案的基础上，提出了一种新的均衡方案，并进行了仿真实验，结果表明改进均衡方案有以下优点。

(1)电路简单，目的明确，能量直接由高压单体向低压单体转移，提高了均衡速度，消除了电感均衡中，对不需要均衡的单体也进行重复的充放电，无形中增加蓄电池的循环次数，影响其使用寿命的缺陷。

(2)由于引入了电感，在对高压单体放电时，电感、电容同时储能，然后电感中的储能完全转移给电容，对低压单体充电时直接由电容独自完成。克服了单独使用电容均衡时能量转移不佳的问题，提高了均衡效率。

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