动力电池组均衡技术的研究

摘要：动力电池组的均衡技术是当前电池管理系统中的重要核心技术，可以减少电池组电池单元之间的不一致。进而提高能量利用率，以及减少电池损耗。分析并研究了动力电池组的不一致性；通过分析均衡电路的拓扑结构，总结了主动和被动均衡的特点。针对目前遇到的各种技术难点，我们不断完善均衡控制策略，确定了电池管理系统的发展方向。

关键词：电池管理系统；均衡电路；均衡控制策略

引言

近年来，随着地球能源被不断的消耗以及环境污染问题愈发严重，我国越来越重视新能源的发展，十三五规划中曾提出将新能源的应用作为一项重要的发展阶段，我们常用的蓄电池是一种绿色能源，如今像这样环保无污染的能源已经在中国电动汽车行业以及智能电网这两个方面都得到了广泛应用，然而目前单体电池的电压供应远远达不到大型用电设备正常使用的额定电压，所以需要多块电池串联才可达到要求，多块电池串联可以达到设备正常使用所需的电压，但另一方面因为电池的不一致性导致降低电池组容量利用率，进而减少电池的使用寿命，增加经济成本。此时，有必要开发一种方案，该方案可以减少电池之间的不一致性，平衡电池容量，从而延长电池的使用寿命。

本课题介绍了动力电池组不一致性，并对其产生的原因和因此造成的影响做了简单的解释。研究和分析了主动均衡和被动均衡的两种电路拓扑结构以及两种电路的优缺点。结果表明均衡技术对提高电池能量利用率起到至关重要的作用，另一方面也增加了电池循环使用次数，所以均衡技术对我国电池管理系统的发展有着重要的意义。

1.不一致性

动力电池组的不一致性主要体现在以下几个参数不同，如单独一个电池的输出电压，容量以及荷电状态（soc）等。不一致性产生的原因可分为内部和外部两方面，内部原因主要是电池生产过程中各方面误差引起的电池初始指标不同，外部原因则是电池组循环使用的不一致性所造成的，而这些不同点将会在循环使用中不断被放大，进而影响电池的寿命。

2.均衡电路

電池均衡技术主要包括主动均衡和被动均衡。它的作用在于释放具有较高能量的电池的能量或补充具有较低能量的电池的能量，这减轻了动力电池在使用期间的不一致性。

2.1主动均衡

（1）电容型均衡电路

单电容型均衡电路如图1所示，该电路通过开关矩阵选择电池，可以实现任意两节电池间的能量转移，均衡速度快，均衡效率高。但是，过多的开关增加了控制的难度和开关器件上能量的损耗。

开关电容型均衡电路如图2所示，该电路通过开关的切换可以实现相邻两节电池的均衡，在保留了单电容型均衡电路均衡效率高的特点的同时，减小了控制的难度。

单独变压器型均衡电路如图3（a）所示，每一节电池都并联了一个独立的反激式变换器。通过开关选择需要均衡的电池，PWM波驱动均衡控制开关Q导通，电池组的电量将转移到被均衡电池中。

多绕组变压器型均衡电路如图3（b）所示，通过一个多输出变压器将整个电池组的能量转移到电压较低的单体电池中。电池组的能量转移到变压器的源边中储存，通过变压器次级绕组转移到电池单体中，电压低的电池单体会得到较多的能量。

基于变压器的均衡电路的优点是均衡速度快、精度高、控制简单缺点是变压器的漏感会导致均衡偏差的出现，很难补偿，难以实现多输出绕组的精确匹配，且不易于模块化。同时变压器的匝数比也制约了电池组的容扩性，可扩展性差。

2.2被动均衡

被动均衡又被称为能耗均衡。被动均衡采用能耗的方式消耗掉能量高的电池中的能量。被动均衡方式采用的电路结构简单而且易于实现。电阻放电均衡是一种常见的被动均衡方式，当电池满足均衡调节时，开关闭合，形成放电回路。这种均衡方式的优点是结构简单和成本低，但是其缺点也是显而易见的，电池放电会产生大量能耗及热量，均衡效率低。

3.结论

通过分析与对比，主动均衡的电路比较复杂，相对的成本也比被动均衡高，而被动均衡电路结构比较简单，而且容易实现，还有就是成本较低，所以被动均衡仍是现在的主流方式。我国在对电池关键技术方向的探索还是远远不够的，和国外相比还是有不小的差距。目前，我国电动汽车技术在不断发展中，而电池管理的技术一直是电动汽车技术发展的一个短板，其中电池均衡这部分对改善电池性能和延长电池寿命都起到很大的作用，它是电动汽车发展的关键技术之一。因此，研究出低功耗、高效率的均衡系统是对电池管理技术的一项重大突破，也是电动汽车发展的一项重大突破。

参考文献：

[1]孟少华，申彩英.电动汽车动力电池均衡控制策略[J].汽车工程师，2018（06）：19-21.

[2]韩峻峰，龙宇舟，郭毅锋，潘盛辉，杨超.锂离子电池组充电均衡电路及其均衡策略研究[J].电源技术，2016，40（12）：2439-2443.

[3]曲海勇.电动汽车电池均衡控制技术研究[J].时代农机，2018，45（03）：114.

作者简介：

周嘉，男，汉族，安徽肥西县人，电气工程专业在读硕士，研究方向为电力系统及其自动化，安徽理工大学。