新型串联锂离子电池组主动均衡电路设计

李立君，李光举，李树元

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054000）

新型串联锂离子电池组主动均衡电路设计

李立君，李光举，李树元

（邢台职业技术学院，河北 邢台 054000）

为解决串联锂离子电池组电压均衡问题，提出了一种新型主动电池到电池均衡电路。该电路主要包括N+5个双向开关以及一个LC谐振电路，其中，N表示电池组中电池的数量。利用LC串联谐振电路能够直接将能量从最大充电电池传输至最小充电电池，无需使用多绕组变压器。并且在零电流开关条件下，运行电路中的所有开关能够减少平衡所用功耗。通过10节串联锂离子电池的实际测试，结果显示相比常规均衡电路，提出的电路能够实现快速平衡并且传输效率更高。当均衡功率为0.48 W和2.04W时，实测功率传输效率分别为92.7%和79.2%。

锂离子电池，主动均衡，LC电路，均衡功率

0 引言

串联式锂离子电池的能量密度高、电池电压高、使用周期长，所以，广泛用于电动车、储能系统等高电压领域［1］。为了最大化锂离子电池容量以及使用寿命，需使用被动电池均衡电路或者主动电池均衡电路［4-5］；被动均衡的电路结构十分简易，成本较低；但是，此电路会产生热量，并且均衡电池所需时间（均衡时间）较长。主动均衡适用于在高温下运行并且需要快速均衡的领域［6-8］但是，几乎所有电路均仅仅能够将平衡能量传输至相邻电池，均衡时间会增加，并且功率传输效率会降低。

本文提出了一种新型电池到电池主动均衡电路，能够直接在电池串中的任意两个电池之间传输平衡能量，无需使用多绕组变压器。在零电流开关（ZCS）条件下进行电路的开关，能够降低功耗以及电磁干扰（EMI）。实际测试结果显示，相比常规均衡电路，提出的电路能够实现快速均衡并且传输效率更高。

1 提出的主动均衡电路

1.1 基本结构设计

本文提出的电路具备带有LC串联电路（谐振回路）的桥接网络以及电池接入网络，如下页图1所示。本文提出的电路结构具有三大优势：1）可以进行电池到电池平衡，均衡时间较少。2）无需多个电感器、电容器或者多绕组变压器，电路尺寸较小。3）在ZCS条件下打开、关闭所有开关，能够降低开关功率损耗以及EMI水平。

LC简化电路如图2（a）所示，该电路由开关SW、电池电压VCell以及谐振回路（CS以及LS）组成。如果电池容量远远大于CS，当t=t0时打开SW，如图2（b）所示，正弦谐振电流iLs会从电池流向CS。电流iLs以及电容器电压vCs表示如下：

图1 本文提出的均衡电路原理图

图2（a）带有电池的串联谐振电路

图2（b）带有电池的串联谐振电路波形

图3 BM和BN的工作波形

电阻RS表示电路路径上的所有寄生电阻，并且强电池的电压 VCell，M与弱电池的电压 VCell，N十分接近。正收集模式［t0-t1］：在此模式下，开关SM和SM+1将BM与谐振回路连接。利用偶数电池的Q3和Q4或者奇数电池的Q1和Q2向CS充正电。vCs从-Vr增加，-Vr是前一周期的残量vCs。此模式下的iLs和vCs表示如下：

此模式结束时，vCs是带正电荷的。

正释放模式［t1-t2］：在此模式下，开关SN和SN+1将BN与谐振回路连接，而桥接网络处于正电压模式。通过LS将储存在CS中的能量释放至BN。此模式下的iLs和vCs表示如下：

在t=t2条件下，iLs=0时此模式结束。当t=t2=t1+Δt时，CS的剩余电压Vr为：

根据式（6）和式（9）得出：

其中，

RS减少，Vh会增加，但Vr会减少。（为使RS=0，k=1，Vr=0，Vh=2VCell；因此，VCell，M=VCell，N=VCell。）

负收集模式［t2-t3］：在此模式下，开关SM和SM+1将BM与谐振回路连接。利用偶数电池的Q1和Q2或者奇数电池的Q3和Q4向CS充负电。iLs和vCs表示如下：

除极性以外，此处的波形与式（3）和式（4）中的波形相同。

负释放模式［t3-t4］：在此模式下，将BN与负电压模式下的谐振回路连接。将CS释放至BN。iLs和vCs表示如下：

除极性以外，此处的波形与式（7）和式（8）中的波形相同。4种模式会重复，直至BM和BN平衡。

1.2 控制算法设计

算法流程图如图4所示，可在电池管理系统（BMS）上实现平衡。

图4 均衡多个电池的算法

可利用下列公式均衡电池串中的所有电池：

此方程式假设强电池（Qk〉Qb）的数量为n，弱电池（Qk〈Qb）的数量为 10-n；Qb处于 Qn与 Qn+1之间，电池总数为10。

1.3 均衡功率分析

在一个谐振周期TS=2Δt内，从强电池传输至CS的能量为CS（Vh+Vr）VCell，S，从CS传输至弱电池的能量为CS（Vh-Vr）VCell，W。因此，利用式（5）、式（10）和式（11）获取的强电池传送的平均功率为：

弱电池接收的平均功率为：

从式（18）和式（19）可知，能量传输效率 ηe为：

2 电路具体实现

利用双向开关以及用于开关的门驱动器实现了本文提出的平衡电路，如图5所示。在零电流条件下打开、关闭所有开关；因此，为获得较高的功率传输效率，仅仅需要最小化路径电阻。路径电阻主要来自电感器LS以及开关。减少电感能够最小化电感器的寄生电阻。

3 实验结果

3.1 参数设置

均衡电路的参数如表1所示，共制成了10个实验电路，如下页图6所示。考虑到下列因素，CS和LS的数值分别定为 10 μF 和 90 μF；CS应为小型无极电容器，并且充电电流与平衡电流的总和不应超过电池的充电电流限制（CCL）。考虑到电路设计，选用了10-μF电容器。实验中的充电电流为1 A，电池的CCL为2.12 A。因此，平衡电流的rms值应低于 1.12 A。从式（7）可知，如果 CS=10 μF，平衡电流的峰值为：

图5（a） 均衡电路的电池接入网络结构

图5（b） 均衡电路的桥接网络结构

图5（c） 均衡电路的保护电路结构

那么，Ls〉88 μH。根据计算结果，实验中的 LS定为 90 μH。

表1 提出均衡电路样板的电路参数

当 VCell，S=VCell，W=4 V 并 且 开 关 频 率 fS=4.8 kHz时，对谐振回路以及电池的实验波形进行了测量，样板的波形如下页图7所示，测量结果与理论波形（图3）十分吻合。不出所料，所有开关均在ZCS条件下进行。iCell，S和 iCell，W的峰值分别为 1.52 A 和 1.2 A；计算电池提供（或者传送至电池）的平均功率时，PS，avg=2.04 W 并且 PW，avg=1.53 W。因此，当 RS=0.45 Ω时利用式（20）可获取 ηe=PW，avg/PS，avg=79.2%。如果使用电路模拟器分析电路损耗，LS的传导损耗为71.6%，开关的欧姆损耗为19.9%，并且CS的等效串联电阻损耗为8.5%。

图6 本文提出的电路样板

图7 样板的实验波形

在各种 CS条件下对 PS，avg、PW，avg和 ηe进行了测量。当RS=0.45 Ω时，测量结果与理论十分吻合，如图8所示。如果CS从1μF增加到了34.7μF，PS，avg则从0.48W增加到了3.78W，但是PW，avg会从0.52W增加2.45 W，因此，ηe会从92.7%降至63.5%。

进行均衡实验之前，测量了实验用电池的开路电压（OCV）与充电状态的曲线，如图 9（a）所示；在PXI平台（PXI-5105）上采用10 bit模拟数字转换器测量OCV-SOC曲线，尽管中断了充电/放电电流。SOC=0%时，OCV 为 2.48 V；SOC=61%时，OCV 为3.74 V；SOC=85%时，OCV 为 4 V；SOC=100%时，OCV为4.25 V。用于平衡SOC=85%和61%时的两个电池的实验结果如图9（b）所示，结果表明92 min之后，在VCell=3.82 V（SOC=69.6%）条件下均衡电池。

图 8 各种 CS 条件下的实测 PS，avg、PW，avg和 ηe

图9（a） 试验用电池的实测SOC与OCV

图9（b） 均衡作期间内的实测OCV

3.2 性能比较

将提出的电路与其他电池到电池均衡电路进行了比较，结果如表2所示。双向反激式电路［12］具有极好的ηe和teq。可是需要N个变压器或者一个多绕组变压器，会增加电路的尺寸以及重量。

表2 用于N个电池均衡的电路性能比较

4 结论

本文提出了一种用于新型主动电池到电池均衡电路，其中包括电池接入网络、带有LC串联谐振回路的桥接电路、保护电路。提出的电路无需辅助转换器就可运行。用10个锂离子电池构建并测试了提出的实验电路。当均衡功率为0.48 W和2.04 W时，实测功率转换效率分别为92.7%和79.2%。当均衡功率为2.04 W时，对SOC=85%和61%的实验用锂离子电，可在92 min后达到均衡。

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A New Series Li-Ion Batteries Active Balancing Circuit Design

LI Li-jun，LI Guang-ju，LI Shu-yuan
（Xingtai Polytechnic College，Xingtai 054000，China）

In order to solve the problem of li-Ion batteries voltage balance series，put forward to a new type of battery to battery active equalization circuit.The circuit includes a N+5 switch and a bidirectional LC resonant circuit，N represents a number of battery in series.The use of LC series resonant circuit can direct energy balance from the maximum to the minimum transmission rechargeable battery rechargeable battery，without the use of multi winding transformer.And in the condition of zero current switching，all switches in an operating circuit can reduce the power consumption balance.The actual test through the 10 series cells，the results show that compared with conventional balance circuit，this circuit can realize fast balance and higher transmission efficiency.When the balance of power is 0.48 W and 2.04W，the measured power transmission efficiency were 92.7%and 79.2%.

lithium ion battery，active equalization，LC circuit，balance power

TM912.1

：A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.06.025

2016-05-18

：2016-06-29

李立君（1979- ），女，河北衡水人，讲师，硕士。研究方向：电气工程。

1002-0640（2017）06-0110-05