蓄電池容量均衡方法概述

董 博，李永東

（清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系，北京 100084）

引言

在由蓄電池作為儲(chǔ)能單元的系統(tǒng)中，由于蓄電池單體往往容量比較低，不能夠滿足大容量系統(tǒng)的要求，因此需要將蓄電池單體串聯(lián)，形成蓄電池組以提高供電電壓和存儲(chǔ)容量，例如在電動(dòng)汽車、微電網(wǎng)系統(tǒng)等領(lǐng)域大多需要蓄電池串聯(lián)。由于蓄電池單體自身制作工藝等原因，不同單體之間諸如電解液密度、電極等效電阻等都存在著差異，這些差異導(dǎo)致即便串聯(lián)蓄電池組每個(gè)單體的充放電電流相同，也會(huì)使每個(gè)單體的容量產(chǎn)生不同，進(jìn)而影響整個(gè)蓄電池組的工作。最壞的情況，在一個(gè)蓄電池組中，有一個(gè)單體的剩余容量接近為100%，另一個(gè)單體的剩余容量為0，則這個(gè)蓄電池組既不能充電也不能放電，完全不能使用。因此對(duì)蓄電池容量的均衡是非常重要的，尤其是在大量蓄電池單體串聯(lián)的情況。

蓄電池容量均衡的方法主要有電阻消耗均衡法、開關(guān)電容法、雙向DC-DC變流器法、多繞組變壓器法、多模塊開關(guān)均衡法、開關(guān)電感法等。

1 電阻消耗均衡法

電阻消耗均衡法是通過與電池單體連接的電阻，將高于其他單體的能量釋放，以達(dá)到各單體的均衡，如圖1所示。每個(gè)蓄電池單體通過一個(gè)三極管與一個(gè)電阻連接，通過控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)蓄電池單體對(duì)電阻的放電。該種結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，放電速度快，可多個(gè)單體同時(shí)放電。但缺點(diǎn)也很明顯，能量消耗大，只能對(duì)單體進(jìn)行放電不能充電，而且其他蓄電池單體要以最低的單體為標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)均衡，效率低[1,2]。

圖1 電阻消耗均衡法結(jié)構(gòu)圖

2 開關(guān)電容法

開關(guān)電容法是在每?jī)蓚€(gè)相鄰的蓄電池之間通過開關(guān)器件與一個(gè)電容并聯(lián)，如圖2所示。通過控制開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)電池之間能量的傳遞。例如若蓄電池單體容量B1高于B2，G1開通G2關(guān)斷時(shí)，電容C1和電池單體B1并聯(lián)，B1將能量傳遞給C1；G1關(guān)斷G2開通時(shí)，電容C1和電池單體B2并聯(lián)，C1將能量傳遞給B2，完成這個(gè)周期內(nèi)的能量傳遞。以此類推，通過控制開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，利用電容實(shí)現(xiàn)能量的逐個(gè)傳遞。

該電路可以等效成如圖3所示電路，在每?jī)蓚€(gè)電池單體之間連接一個(gè)等效電阻，可以推出如等式（1）給出的等效阻值[3]。這種方法由于能量逐個(gè)傳遞，因此均衡時(shí)間較長(zhǎng)，可以根據(jù)等式（1），通過改變開關(guān)器件的開關(guān)頻率和電容容值的方法調(diào)節(jié)等效電阻，改變充放電電流。

圖2 開關(guān)電容均衡法結(jié)構(gòu)圖

式中：f為開關(guān)頻率；τ=RC；D為占空比。

開關(guān)電容法控制簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)充電和放電均衡，但由于是逐級(jí)傳遞能量，因此均衡速度較慢[4-6]。

圖3 開關(guān)電容法等效電路

3 雙向DC-DC變流器法

該方法每個(gè)蓄電池單體都連接一個(gè)雙向DCDC變流器后再串聯(lián)，如圖4所示。由于蓄電池單體電壓等級(jí)比較低，一般情況下將蓄電池單體作為低壓側(cè)。在給蓄電池組充電時(shí)，根據(jù)圖5的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)蓄電池單體的恒壓充電，如果將該控制策略的電壓外環(huán)打開，可以根據(jù)均衡的需要進(jìn)行恒流充放電控制。在放電時(shí)，如果連接負(fù)載較重，有些雙向DC-DC變流器的電感可能工作在斷續(xù)狀態(tài)，在文獻(xiàn)[7]中有詳細(xì)的介紹。

圖4 雙向DC-DC變流器法結(jié)構(gòu)圖

圖5 蓄電池單體恒壓充電控制框圖

這種均衡方法可以同時(shí)對(duì)所有電池單體進(jìn)行充放電，并針對(duì)不同電池單體的容量情況控制充放電電流。此方法控制靈活，充放電均衡時(shí)間短。但由于每個(gè)蓄電池單體都需要一個(gè)雙向DC-DC變流器，因此成本較高[8,9]。

4 多繞組變壓器均衡法

多繞組變壓器法是將每個(gè)蓄電池單體連接到變壓器的一個(gè)副邊，如圖6所示。在對(duì)蓄電池組進(jìn)行電壓均衡時(shí)，控制變壓器副邊電壓首先高于最低的一個(gè)蓄電池單體，此時(shí)這個(gè)單體電路中的二極管導(dǎo)通，其他單體連接的二極管由于承受反壓關(guān)斷，僅給電壓最低的蓄電池單體充電，等到這個(gè)單體充至倒數(shù)第二高時(shí)，再提高副邊電壓，給最低的兩個(gè)單體充電，照這種方法持續(xù)下去[10]，充電電壓如圖7所示。

圖6 多繞組變壓器法結(jié)構(gòu)圖

圖7 變壓器副邊充電電壓波形圖

這種充電方式的多繞組變壓器設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且價(jià)格較貴，需要根據(jù)不同的蓄電池單體數(shù)量改變繞組個(gè)數(shù)，不易于蓄電池組的擴(kuò)展；僅能通過給蓄電池單體充電的方式實(shí)現(xiàn)均衡。

還有多變壓器均衡等通過變壓器均衡的方法，在文獻(xiàn)[11]中有介紹。

5 多模塊開關(guān)選擇均衡法

該種方法的結(jié)構(gòu)如圖8所示，由于串聯(lián)蓄電池單體數(shù)量較多，可以將這些單體分為M個(gè)模塊，每個(gè)模塊有K個(gè)單體。每個(gè)蓄電池單體均有一組開關(guān)與雙向DC-DC變流器連接，開關(guān)由兩個(gè)反向串聯(lián)的MOSFET組成，在單體未選中進(jìn)行充放電時(shí)，控制芯片控制相應(yīng)MOSFET關(guān)斷，單體與變流器斷開；由控制器選擇給某個(gè)單體進(jìn)行充電時(shí)，通過控制芯片開通對(duì)應(yīng)的光耦，令MOSFET導(dǎo)通，將該蓄電池單體接入DC-DC變流器[12]，如圖9所示。

圖8 多模塊開關(guān)選擇均衡法結(jié)構(gòu)圖

這種方法可以對(duì)任何一個(gè)單體進(jìn)行單獨(dú)充放電，充放電電流可控，但是每次只能針對(duì)一個(gè)電池單體，因此整個(gè)蓄電池組的充放電均衡時(shí)間較長(zhǎng)，尤其在單體數(shù)量很大的情況下。

圖9 多模塊開關(guān)選擇均衡法控制電路

6 開關(guān)電感法

開關(guān)電感法是在相鄰兩個(gè)蓄電池單體之間通過MOSFET與一個(gè)電感相連，如圖10所示，若當(dāng)單體容量B1大于B2時(shí)，首先令開關(guān)Q1導(dǎo)通Q2斷開，B1給電感L1充電，然后Q1斷開Q2閉合，此時(shí)電感將存儲(chǔ)的能量釋放給B2，為了保證Q1和Q2不同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)加入死區(qū)，在死區(qū)時(shí)間里，電感L1通過B2，D2續(xù)流。同時(shí)B2也可以給B3傳遞能量，也可以實(shí)現(xiàn)能量反方向的流動(dòng)，直到所有電池單體容量相同為止[13]。

圖10 開關(guān)電感法電路結(jié)構(gòu)圖

開關(guān)電感法可以實(shí)現(xiàn)相鄰電池單體間能量的同時(shí)傳遞，可以減少均衡時(shí)間，對(duì)于N個(gè)蓄電池單體，需要2N-2個(gè)MOSFET和N-1個(gè)電感。

7 結(jié)論

蓄電池組各單體容量的均衡對(duì)于串聯(lián)蓄電池組的工作效率和安全起著非常重要的作用，長(zhǎng)時(shí)間的不均衡會(huì)導(dǎo)致整個(gè)蓄電池組壽命縮短，嚴(yán)重影響整個(gè)系統(tǒng)的工作。本文介紹了各種蓄電池均衡方法的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，從中我們可以看出，沒有一種方法是十全十美的，需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合、均衡時(shí)間、串聯(lián)數(shù)量、成本等因素綜合考慮，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的選擇。

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