新型锂电池组混合均衡电路的设计

贾丽源，王成龙

（ 1.甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100；2.上海江南长兴重工有限公司，上海 201913 ）

新型锂电池组混合均衡电路的设计

贾丽源1，王成龙2

（ 1.甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100；2.上海江南长兴重工有限公司，上海 201913 ）

针对锂电池充放电过程中的不一致性，设计了一种基于能量转移的锂电池均衡方案，通过将多余的能量传递到低电量的电池中实现均衡。系统采用的是2级混合均衡方法，第一级采用的是新型电感均衡电路，第二级采用的是独立变压器并联均衡电路。实验结果表明，该方法具有均衡时间短、效率高等优点，有效解决锂电池充放电不均衡性问题。

不一致性；混合均衡；电感均衡；变压器

0 引言

锂离子电池具有电压高、比能量大、循环寿命长、安全性能好、自放电性小、可快速充放电和工作温度范围高等优点，已成为可充电电动工具最广泛使用的电源。由于各单体电池在生产过程中内阻、容量等参数不一致，并且电池组在使用过程中，各个单体电池会发生一些变化，电池的各参数也会不一致。若不采取有效措施会造成单体电池过充电和过放电，严重影响电池组的性能及寿命。

为了解决串联锂电池组的充放电问题，提高串联锂电池组的寿命，必须对锂电池充放电过程进行均衡控制。均衡技术是目前世界正在致力研究与开发的一项电池能量管理系统的关键技术。目前均衡技术主要分为以下两类：被动均衡和主动均衡。被动均衡即有损均衡，在每个单体电池并联一个电阻分流，将容量多的电池中多余的能量消耗掉，实现整组电池电压的均衡。主动均衡即无损均衡，将单体能量高的转移到单体能量低的，或用整组能量转移到单体最低电池。在实施过程中需要一个储能环节，使得能量通过这个环节重新进行分配。

针对上述问题并结合现有技术，本文提出了一种新型锂电池组混合均衡电路，系统第一级采用新型电感均衡电路，第二级采用独立变压器并联均衡电路。两级混合均衡不仅可以解决锂电池组充放电过程中的能量均衡问题，而且可以缩短充电时间，提高系统运行效率。

1 新型电感均衡电路

1.1 电路结构

本文所设计的新型电感均衡电路如图1所示，B1～Bn为串联锂电池组，M1～Mn为均衡开关的功率MOSFET，电池管理系统（BMS）控制其导通与关断，L为均衡模块中的储能电感。其工作的基本原理为：通过控制相应的MOSFET，将高电压电池的多余能量存储到电感中，并通过电感将能量传递到低电压电池中。因此，若要给n节电池构成的电池组均衡，需要使用2(n+1)个MOSFET。该电路体积小，结构紧凑，可扩展性强。

1.2 电路分析

通过4节锂电池组成的均衡单元说明均衡的工作原理及过程。其他均衡单元的工作原理是相同的。假设B1为较高电压的单体电池，B4为较低电压的单体电池，即V1＞V4。通过储能电感，将B1中多余的能量传递到B4中，实现均衡。

（1）模式1

如图2所示，M1，M9闭合，其余MOS管断开，此时B1和L构成闭合回路，电池1给电感L1充电，流过电感的电流不断上升，同时电感中存储的能量也不断上升。图3为等效电路，R0为整个回路的等效电阻，V1为电池1上的电压，i为均衡电流。根据基尔霍夫电压定律，计算电路的电流变化：

整理可得

其中，t为电感持续充电时间。

图2 电感充电电路

图3 电感充电等效电路

（2）模式2

如图4所示，M5，M7闭合，其余MOS管断开。此时B4和L构成闭合回路。电感中的电流保持原有方向不变，对电池B4进行放电，流过电感的电流不断下降，同时电感中存储的能量也不断下降。电感放电等效电路如图5所示。通过基尔霍夫定律，计算电路的电流变化。

整理可得

这种用刀切完西瓜随手丢在床上的情况，可能并不多见。但随手丢东西导致人命丧失的情况，却不是孤例。有的人在公交车或者其他交通工具上，将用过的纸巾、食物包装等废弃物，随手就丢出车窗外。要知道清洁工为了清扫这样的垃圾，需要冒着生命危险进入车流之间，因此而发生车祸的报道，不时可见。我在公交车上见到的最为令人目瞪口呆的一幕，是一个在车上吃饭的乘客，竟然将吃剩的饭菜像天女散花一样向车流如织的街道中央“播撒”。

其中i0为上一过程的电流终值。

图4 电感放电电路

图5 电感放电等效电路

综合上述分析，在V1＞V4的情况下，各点的电流电压波形如图6所示。MOS管由方波驱动，可以看到电感上电流的变化趋势。电感电流上升，表明电压高的电池对电感进行充电；电感电流下降，表明电感放电，对电压低的电池进行充电。这一过程直至两电池达到平衡为止，均衡后电压为两电池电压的平均值，即

图6 均衡电路波形图

2 独立变压器并联均衡电路

2.1 电路结构

本文所采用的独立变压器并联均衡电路如图7所示。这种结构采用独立的压紧式低功率多绕组变压器，由光耦控制器S1～Sn安装于变压器初级线圈上。通过电池管理系统（BMS）控制光耦控制器的开关与导通，选择均衡对象。

图7 独立变压器并联均衡电路

在图7所示的均衡电路中，每个单体电池都接有一个独立反激式变换器，所有的原边都是并联耦合的。每一个变压器都由一个光耦控制。该均衡过程如下：PWM波驱动MOSFET开关Q导通，均衡电流从整个电池组中流入电压低的单体电池之中。

2.2 电路分析

本文所提出的均衡电路具有控制简单、易实现等特点。根据原边MOSFET管的工作状态，可以将该均衡电路分成两种工作模式。假设最后一个电池Bn为最低电压单体电池，电池管理系统（BMS）控制S1～Sn-1断开，Sn打开，PWM波驱动MOSFET管Q的导通与关断。

此模式下，MOSFET管Q导通，Sn开启。整个电池组流出的电流不断上升，单体电池Bn对应的原边上的电流Ikgn也随之上升。

（2）模式2

在该模式下，MOSFET管Q关断。副边上对应的整流二极管导通，电流通过变压器传递到电池Bn上，即电流流入单体电池Bn上。

通过上述过程，低电压的单体电池不断进行均衡充电，电池上的能量不断上升，电压也随之上升。在上述均衡系统中，假设均衡电路的效率为η，则

式中Pout,avg为均衡电路平均输出功率，Pin,avg为均衡电路平均输入功率。对输出功率积分可得输出功率平均值，即：

上式中Vn(τ)为选通的单体电池电压，Iout，Pin为流出变压器和流入变压器的电流，且

其中C为实际使用电池的电容值，化简均衡电路平均输出功率公式，得

3 两级混合均衡策略

在使用较多数量锂电池的应用场合中，采用分级均衡的方法。即将整个串联电池组分成n个小块，首先对每一个小块进行均衡。这一轮均衡结束之后，在对整个电池组进行均衡，依次提升能量转换率和均衡效率。根据上述策略，提出如下的混合均衡原理框图，其中第一级采用新型电感均衡电路，第二级采用独立式变压器均衡电路，如图8所示。

图8 混合均衡框图

本文提出的二级均衡具有均衡效果好，系统扩展性强等优点。新型电感均衡电路在工作过程中，不会出现电感发热现象，具有能量转移型电路的一般优点。独立式变压器均衡电路均衡效率高。采用本文提出的二级均衡电路能够综合两种均衡电路的优点，取利舍弊。

4 实验

实验采用20个单体电池，每4个单体电池组成一个电池组。20 min测量一次电池组电压。5个电池组的电压在均衡过程随时间变化曲线如图9所示，起始电压分别为14．4 V，14．0 V，13．3 V，12．3 V，12．0 V。由图9可以看到，起始电压低的电池组在均衡过程中电池组电压慢慢上升，起始电压高的电池组在均衡过程中电池组电压慢慢下降，最后电池组电压趋于相等。

图9 混合均衡电池组电压

5 结语

本文针对串联锂电池组充放电过程中的均衡问题，研究了一种二级均衡方案。本方案均衡效果好，结构紧凑，易于模块化设计，为串联电池组均衡提供了新的解决方案。针对本系统进一步的工作将是如何更好提高系统效率和可靠性。

[1]Arai J， Yamaki T， Yamauchi S， et al．Development of a high power lithium secondary battery for hybrid electric vehicles[J]． Journal of power sources， 2005， 146(1)： 788-792．

[2]吴铁洲，孙杨，夏防震，等． 镍氢动力串联电池组均衡充电方法研究[J]． 电源技术应用，2010，09：8-12．

[3]王占国，文锋，盛大双，等． 新型充放电均衡一体化电池管理系统研究[J]． 电子测量与仪器学报，2012，05：431-436．

[4]Nie Z， Mi C． Fast battery equalization with isolated bidirectional DC-DC converter for PHEV applications[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference， 2009． VPPC'09． IEEE．IEEE， 2009： 78-81．

[5]Kim M Y， Kim J H， Moon G W． Center-Cell Concentration Structure of a Cell-to-Cell Balancing Circuit with a Reduced Number of Switches[J]． 2013．

[6]赵健，杨维芝，赵佳明． 锂离子电池的应用开发[J]．电池工业，2000，01：31-36．

[7]Lee W C， Drury D， Mellor P． Comparison of passive cell balancing and active cell balancing for automotive batteries[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC)， 2011 IEEE．IEEE， 2011： 1-7．

[8]Cao J， Schofield N， Emadi A． Battery balancing methods： A comprehensive review[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference， 2008． VPPC'08． IEEE． IEEE，2008： 1-6．

A New Type of Hybrid Equalization Circuit Design for Lithiumion Battery Pack

Jia Liyuang1, Wang Chenglong2
(1. Gansn Vocational & Technical College of Nonferrous Metallurgy, Jinchang 737100, China; 2. Shanghai Jiangnan Changxing Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 201913, China)

According to the inconsistency problem in charging and discharging process of series connected lithium-ion battery pack, a lithium battery equalization scheme based on energy transferring is designed. By moving the excess energy to the low power battery, the goal of equalization is achieved. The system uses a two-stage hybrid equalization method. The first stage is the new pattern inductance equalization circuit,and the second is independent transformer parallel equalization circuit. The experimental results show that this method has the advantages of short equalization time, high efficiency and so on, and can effectively solve the problem of unbalancing in charging and discharging process.

inconsistencies; hybrid equalization; inductance equalization; transformer

TM910.2

A

1674-2796（2015）06-0005-05

2015-11-17

贾丽源（1992—），女，大学本科，助教，主要从事信号与信息处理的研究和教学工作。