鋰離子電池的均衡控制綜述

（易事特公司新能源部）

0 引 言

鋰離子電池已廣泛用于便攜式電子產品（如手機、筆記本電腦、攝像機）和電動車電源。供電電源通常由多個單體電池串聯組成，以滿足設備所需電壓和功率要求。在實際使用中，由于單體電池之間的差異，電池組的容量受限制于最弱的電池的容量。在串聯電池組中，雖然通過單體電池的電流相同，但是由于其容量不同，電池的放電深度也會不同，容量大的總會淺充淺放，而容量小的總會過充過放，這就造成容量大的衰減緩慢、壽命延長，容量小的衰減加快、壽命縮短，兩者之間的差異會越來越大，因此小容量電池的失效會導致電池組的提前失效［1］。

1 鋰離子電池均衡的必要性

在串聯的電池系統中，不論是充電還是放電，電池單元的工作電流都是相同的。但是由于電池個體之間內部特性差異、工作溫度和循環使用次數的不同，表現出來的電池行為也會有所區別。一般來說，電池行為出現差異的主要原因有兩種：一是內部阻抗的改變，二是由于電池老化而造成的容量減少。不管是由于哪種原因，出現行為差異的電池在電池組充電的過程中，發生過充現象的可能性是最大的。容量減小或者內部阻抗變大的電池在充放電過程中，電壓變化會比正常的電池更明顯。放電時，它的電壓下降比其他電池單體更快；而充電時，電壓上升也是最快的。

在充放電過程中，鋰離子電池組中各單體電池之間存在不一致性，連續的充放電循環導致的差異，將使某些單體電池的容量加速衰減，串聯電池組的容量由單體電池的最小容量決定，因此這些差異將使電池組的使用壽命縮短。

通常把因單體電池的性能差異而導致的電池組性能降低的現象稱為電池匹配失衡。電池匹配失衡主要表現在兩個方面：電池荷電狀態失衡和電池容量或能量的失衡。采用電池均衡處理技術便可解決以上兩種失衡問題，從而改進串聯電池組的電性能。電池荷電態失衡需在電池組初次充、放電時進行均衡調整電池，此后只需在充電期間進行均衡即可，而容量或能量失衡則必須在充、放電過程都進行均衡。

2 鋰離子電池的均衡方法

目前鋰離子電池組均衡控制的方法，根據均衡過程中電路對能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。能量耗散型是將多余的能量全部以熱量的方式消耗，非耗散型是將多余的能量轉移或者轉換到其它電池中，由于轉換效率一般都在85%～95%之間，因此這種方式也會消耗5%～15%的能量。

（1）能量耗散型

能量耗散型是通過單體電池的并聯電阻進行充電分流從而實現均衡，這種電路結構簡單，只將容量高的單體電池的能量消耗，均衡過程一般在充電過程中完成，對容量低的單體電池不能補充電量，存在能量浪費和熱管理的問題。

能量耗散型一般可分為兩種類型，一是恒定分流電阻均衡充電電路，即每只單體電池都始終并聯一個分流電阻［2］，如圖1所示。這種電路的優點是可靠性高，缺點是無論電池處于充電還是放電過程，分流電阻始終消耗功率，因此一般應用在能量充足、可靠性要求高的場合，如衛星電源等。

圖1 恒定分流電阻均衡電路

二是開關控制分流電阻均衡充電電路，如圖2所示，分流電阻通過開關控制，在充電過程中當單體電池電壓達到截止電壓時開始均衡，有最大單體電池充電電壓和電池組平均電壓兩種控制策略。這種均衡電路工作在充電期間，特點是可以對充電時單體電池電壓偏高者進行分流，缺點是由于均衡時間的限制，分流時產生的大量熱需要管理，尤其在容量比較大的電池組中。

圖2 開關控制分流電阻均衡電路

（2）能量非耗散型

能量非耗散型電路的耗能比能量耗散型要小，但電路結構相對復雜，可分為能量轉換式均衡和能量轉移式均衡兩種。

能量轉換式均衡是通過開關信號，將鋰離子電池組整體能量向單體電池進行補充，或者將單體電池能量向整體電池組進行能量轉換。其中單體電壓向整體電壓轉換一般都是在電池組充電過程中，電路如圖3所示［3］。該電路是通過檢測各個單體電池的電壓值，當單體電池電壓達到一定值時，均衡模塊開始工作。把單體電池中的充電電流進行分流從而降低充電電壓，分出的電流經模塊轉換把能量反饋回充電總線，達到均衡的目的。

圖3 單體電壓向整體電壓轉換電路

電池組整體能量向單體轉換，一般根據均衡發生的過程不同分為兩種，一種是發生在充電過程中，電路如圖4所示，這種方式也稱為補充式均衡，即在充電過程中首先通過主充電模塊對電池組進行充電，電壓檢測電路對每個單體電池進行監控［4］。均衡模塊中的充電電壓經過一個獨立的DC／DC變換器對電池組主充電，均衡模塊中充電電壓經過一個獨立地AC／DC變換器和一個同軸線圈變壓器，給每個單體電池上增加相同的次繞組。這樣，單體電壓高的電池從輔助充電電路上得到的能量少，而單體電壓低的電池得到的能量多，從而達到均衡的目的。這種均衡方式的問題在于次繞組的一致性很難控制，而且同軸線圈也存在一定的能量耗散，而且這種方式的均衡只有充電均衡，對于放電狀態的不均衡無法作用。

圖4 補充式均衡電路

圖5 開關電容式均衡

能量轉移式均衡是利用電感或電容等儲能元件，把鋰離子電池組中容量高的單體電池，通過儲能元件轉移到容量比較低的電池上，如圖5所示。該電路是通過切換電容開關傳遞相鄰電池間的能量，將電荷從電壓高的電池傳送到電壓低的電池，從而達到均衡的目的。另外也可以通過電感儲能的方式，在相鄰電池間進行雙向能量傳遞。此電路的能量損耗很小，但是均衡過程中必須有多次傳輸，均衡時間長，不適于多串的電池組。改進的電容開關均衡方式將電壓高的單體電池的能量直接轉移到電壓低的單體電池上，而不用通過整個電池組依次轉移，使均衡效率提高。

3 鋰離子電池均衡電路的發展趨勢

鋰離子電池組在不同領域的產業化，對均衡電路的要求也越來越高，今后的發展趨勢如下：

（1）不論是能量耗散型均衡電路還是非耗散型均衡電路，減小能量消耗成為目標。目前各種方法中，能耗最小的約為轉換能量的15%左右，減小能量消耗不僅可以節約能源，還可以減少發熱量。

（2）在實際應用中，生產廠家希望應用到設備中的均衡電路體積小、電路簡單、成本低。目前均衡電路在管理系統中的體積占到一半以上，如何減少均衡電路的體積和成本成為了研究的重點。

（3）均衡電路的設計適用性強，可以對不同串數的電池組進行均衡。由于使用中根據實際需求，需要將電池組進行不同串并聯組合，因此均衡電路的可級聯性將成為很重要的因素。

（4）均衡電路也朝著快速、高效的方向發展，希望縮短均衡時間。實際應用中，均衡時間和電路的體積需要合理的分配。

（5）根據電壓的均衡方式和根據容量的均衡方式相結合。

［1］ 邊延凱，賈瑞慶，田 爽.鋰離子電池組的均衡控制與設計［J］.東北電力大學學報，2006，26（2）：69－72.

［2］ 雷 娟，蔣新華，解晶瑩.鋰離子電池組均衡電路的發展現狀［J］.電池，2007，vol.37（l）：62－63.

［3］ Stephen T.Hung，Douglas C.Hopkins，Charles R.Mosling.Extension of Battery Life via Charge Equalization Control［C］.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，1993，40（1）：96－104.

［4］ Lee Y S，Chen G T.ZCS bi－directional dc－to－dc converter application in batter y equalization f or electric vehicles［J］.Power electronics specialists conference，2004，4：2766－2772.