一種新型的電動車用電池均衡方法探討

劉紅銳，夏超英

(天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072)

前言

隨著環境污染和能源危機的加劇，電動汽車的發展受到世界各國的重視。制約電動汽車發展的關鍵技術之一就是如何有效地使用和管理蓄電池。由于鋰離子電池體積小、質量輕、單體標稱電壓相對較高、循環壽命長和無記憶效應等優越的性能，受到市場的青睞。單個鋰離子電池標稱電壓為3.6V左右，在應用中需要大量的單體電池的串聯，以滿足電動汽車的電壓需求，各個單體電池性能的差異將影響和制約整個電池組的充放電能力，在電池串聯使用中只要有一個單體電池達到充放電電壓極限，整個電池組就應停止充放電，否則單體電池會發生過充或過放，嚴重影響其壽命。因此，對單體電池采取有效的均衡措施具有極其重要的實用價值和現實意義。

1 均衡方法

一個完整的電池管理系統，均衡是必不可少的。近十幾年來出現了很多均衡方法，也有一些商業化專用集成芯片可供使用。從能量的耗散和轉移角度來看，各種均衡方法分為能耗型均衡和非能耗型均衡兩大類。

1.1 能耗型均衡

能耗型均衡的主要思想是在電池充放電過程中，對電池組中電壓最高的單體電池通過并聯電阻分流實現能耗均衡。電池管理芯片LTC6802－1可以監測12個單體電池的電壓，還提供了均衡驅動輸出端口，其電阻均衡電路如圖1所示。

電阻能耗均衡方法僅適用于充電模式，在電池充電過程中用來抑制電壓最高單體的電壓的上升，其間伴隨著電阻能量消耗，均衡電流小，一般為幾十到幾百mA，均衡時間比較長，是一種耗時耗能的均衡方法。

1.2 非能耗型均衡

非能耗型均衡的主要思想是通過電容、電感等儲能元件，使能量在單體電池間或系統內部轉移，它消耗能量小，是一種實用的均衡方式。

(1)電容均衡和電感均衡

文獻［1］～文獻［4］中采用電容均衡。由于電動汽車用鋰離子電池的單體電壓比較低，其單體電壓為3.6V左右，單體間電壓差值很小，而電容均衡是利用單體電池間的電壓差進行均衡，再加上均衡回路中開關管的導通壓降，均衡效果不明顯。另外，均衡時電容電壓的極性不變，故此方法必須采用雙向導通的開關器件才能實現能量的轉移，因此增加了控制的復雜程度。

文獻［5］～文獻［7］中采用電感均衡，均衡時能量在相鄰單體間轉移，經過多個循環后可使整個電池組各單體電池電壓趨于一致。該方法一方面均衡速度受到了一定的限制;另一方面這種迂回的均衡方式對不需要均衡的單體電池也進行了多次充放電，無形中降低了電池的使用壽命。

(2)變壓器均衡

文獻［8］中采用同軸多副邊繞組變壓器均衡。通過變壓器實現能量在單體電池與整個電池組間轉移。每個單體電池都要對應變壓器的一個副邊窗口，因此對變壓器的精度要求高，這樣就增加了變壓器設計的難度和成本。

2 一種新的均衡方案

針對上述電容均衡和電感均衡存在的問題，本文中提出了一種利用電感和電容進行均衡的新方案，該方案在電容上并聯一個電感，并通過雙向晶閘管來進行電感投切實現電池均衡。

2.1 工作原理

電路原理圖如圖2所示，3個單體電池串聯，實際中根據需要可以串聯多個，其工作原理相同。虛線框部分為均衡電路，它由電感L和L0、電容C、雙向晶閘管S1、S2和A、B兩組全控型開關器件組成。L0電感很小，主要是緩沖開關導通瞬間的沖擊電流，在原理圖中L0兩端并聯了一個二極管與電阻的串聯支路，作為L0的能量釋放回路。

經電池電壓檢測得知電池1電壓最高，電池3電壓最低，忽略均衡過程中開關器件的開關損耗，從能量轉移的角度，把完成一個周期的均衡過程分成了4個階段，如圖2所示。

第1階段(t0－t1):高壓單體電池1向均衡電路轉移能量，電感和電容同時儲能。如圖2中的回路①所示，t0時刻電感L0、L初始儲能為零，即電流為零，電容C的初始電壓為U0，此時控制A1、B2、S1導通，t1時刻，電感 L的電流上升到 I1，電容電壓為U1c，電感 L0的電流到 I0，此時關斷 A1、B2，第1階段結束。電池1釋放的能量W1為

第2階段(t1－t2):均衡電路內部能量轉移。t1時刻斷開A1、B2后，LC形成單向振蕩回路，如圖2中的回路②所示，電感L的能量全部轉移到電容C中，t2時刻電感L電流變為零，S1自然關斷，第2階段結束。電容電壓由+U1c變為－U2c，則電容儲能為

第3階段(t2－t3):均衡電路向低壓單體電池3轉移能量。S1關斷后，控制A4、B3導通，如圖2中的回路③所示。電容向電池3充電，直到t3時刻關斷A4、B3，第3階段結束。電容電壓由 －U2c變為－U3c，電感L0的電流從0上升為I03，則電池3吸收的能量W2為

第4階段(t3－t4):電容電壓極性反向。關斷A4、B3，同時觸發S2導通，LC形成單向振蕩回路，如圖2中的回路④所示。t4時刻S2自然關斷，電容電壓從－U3c變為+U4c，為下一輪的高壓單體放電做準備，第4階段結束。電容剩余儲能為

經過一個均衡周期的4個階段，完成能量由高壓單體電池向低壓單體電池轉移。其實4階段中都伴隨著開關器件的開關損耗，本文中在降低開關損耗方面也采取了有效的控制策略。

圖3為各開關器件的控制時序圖，圖中x、y、z是電池組中的單體電池序號，Tj為一個均衡周期。時序圖中如果電池x是高壓單體，那么電池y就是低壓單體，通過開關器件的導通輪流將高壓單體和低壓單體電池與均衡電路的電容電壓同極性并聯。通過調節全控型開關器件的導通時間來控制電池與均衡電路間交換的能量的多少。

此均衡電路有以下幾個特點:(1)用電容C和電感L來儲存能量;(2)雙向晶閘管投切電感，一方面使電感中的能量完全轉移到電容中，提高均衡電路的能量轉移能力，另一方面改變電容電壓的極性，簡化了控制電路;(3)A、B兩組開關器件中的電流方向是單向的。

2.2 仿真驗證

仿真實驗選用兩個單體鋰離子電池，并在Matlab/Simulink環境下搭建了鋰離子電池模型和仿真電路，在恒流充電過程中對電壓不同的兩個單體電池進行均衡仿真實驗，記錄了單體電池的電流波形和均衡電路中電感電流與電容電壓的波形，并對仿真結果進行了分析。

2.2.1 仿真模型的建立

鋰離子電池采用電動勢與電阻串聯模型，在仿真環境下采用受控電壓源與一電阻串聯實現，其受控電壓源的輸入信號為單體電池的SOC，輸出即為單體電池的電動勢E。由于在實驗中采用50A恒流對額定容量為150A·h的兩單體磷酸鐵鋰電池進行充電過程中的均衡，因此SOC用式(5)來表達。再根據圖4所示的E-SOC曲線得到其函數E=f(SOC)，從而完成單體電池仿真模型的構建。

式中:SOC0為電池初始電量;I3為1/3倍率電流;Q為單體電池的額定容量。

2.2.2 仿真實驗

仿真電路如圖5所示，均衡電路中兩組開關選用IGBT，雙向晶閘管用兩個反并聯的晶閘管代替，其均衡電路和電池的封裝模塊如圖中所示。為了分析方便而把單體電池的初始電量(SOC0)、單體電池的電壓和電流等參數顯示在電池封裝模塊上。同樣為了方便觀察和記錄實驗波形，將電容電壓和電感L的電流作為均衡電路封裝模塊的輸出。50A的恒流電流對兩串聯單體電池進行充電，兩電池的初始電量分別為60.5%和60%，相對應的電壓分別為3.901和3.898V，電池1的電壓比電池2的電壓高3mV，因此均衡時能量由電池1向電池2轉移。

仿真時間選取了一個均衡周期，Tj=0.02s，則器件A和B導通周期為0.01s，S1和S2的觸發脈沖周期與均衡周期相等。圖6為均衡電路中電感電流波形和電容電壓波形圖，圖7為均衡過程中兩單體電池的電流波形圖。圖6和圖7是在一組確定電感和電容參數下的仿真波形，為了突出電感和電容的變化對實驗結果的影響，圖8為分別對電感和電容值增大了2倍得到的仿真波形。

2.2.3 仿真結果分析

觀察圖6和圖7的仿真波形，首先電池2釋放能量，電池2的電流通過均衡電路分流，故其充電電流要小于50A，同時電感L儲能，電感電流上升;接著電感中儲存的能量完全轉移到電容中，電容電壓升高，電感電流下降到零;隨后電容中的能量向電池1轉移，電容電壓下降，電池1的充電電流高于50A;最后電容電壓反極性，如圖6所示的最后部分電容電壓極性由負變正。均衡過程與前面分析的4個階段的工作原理一致。

在均衡周期和器件的導通周期一定的情況下，電感L和電容C參數的不同，將會影響均衡電路的時效性。

(1)當電感L增大時，在相同時間內其儲能減小，則第2階段結束后電容中的儲能減小，由于電容值未變，則電容兩端的電壓值減小，最終電容向低壓單體進行能量轉移的能力減小，一個均衡周期內轉移的能量也減小，見圖8(a)和圖8(b)。

(2)當電容C增大時，從圖8(d)電池2的電流波形可以看出它釋放的能量W1并沒有減小，但由于電容C的增大，使電容電壓值減小，電容電壓值減去兩個開關管的導通壓降后必須大于受均衡的低壓單體電池的端電壓時，才能實現能量向低壓單體轉移。雖然高壓單體電池釋放的能量基本沒變，但最終轉移到低壓電池中的能量卻變的很小，要達到相同的均衡效果，此時耗費的時間變長，從圖8(c)電容電壓波形底部看，電壓變化幅度很小，即能量轉移的效率降低。

本文中的電感和電容值都是在反復實驗的基礎上抽取的一組典型的數據。其選取既要考慮被均衡單體電池的標稱電壓值，又要兼顧均衡的時效性。

在對150A·h的磷酸鐵鋰電池以C/3恒流充電均衡仿真實驗中，均衡時電池電流并不大，如圖7所示的最高電流為65A，這樣保證了對電池的合理使用，有利于延長單體電池和整個電池組的使用壽命，無形中也降低了電動汽車的成本，更利于電動汽車的長期發展。

2.2.4 減小開關損耗的措施

(1)為減小開關器件的開關損耗，控制A、B兩組開關器件導通時，A組開關器件是開關控制，B組開關采用電平控制(常開)。

(2)第1階段諧振電路中，為降低開關器件的關斷損耗，選擇電感L0兩端的電壓諧振過零的時刻關斷A、B兩組開關。

(3)當電容儲能比較高時，在第3階段會出現很高的充電電流峰值，此時需要提高開關器件的開關頻率，采用PWM控制，這樣既控制了充電電流又不會因為頻率的提高而增加開關損耗，同時提高了能量轉移的能力。

2.2.5 此方案要解決的關鍵問題

(1)根據實際情況，選擇合適的電感和電容值，控制電容上的電壓值。為了系統安全，有必要在均衡回路中增加零電流檢測，保證開關器件安全切換。

(2)均衡電路中用到大量的開關器件，合理選擇開關器件和保護電路，兼顧均衡效率和均衡電路的損耗，達到均衡目的。最后進行均衡電路的軟硬件實現。

3 結論

在分析幾種均衡方案的基礎上，提出了一種新的均衡方案，并進行了仿真實驗，結果表明改進均衡方案有以下優點。

(1)電路簡單，目的明確，能量直接由高壓單體向低壓單體轉移，提高了均衡速度，消除了電感均衡中，對不需要均衡的單體也進行重復的充放電，無形中增加蓄電池的循環次數，影響其使用壽命的缺陷。

(2)由于引入了電感，在對高壓單體放電時，電感、電容同時儲能，然后電感中的儲能完全轉移給電容，對低壓單體充電時直接由電容獨自完成。克服了單獨使用電容均衡時能量轉移不佳的問題，提高了均衡效率。

［1］ Pascual C，Krein P T．Switched Capacitor System for Automatic Series Battery Equalization［C］．Proc．12thAnnual Applied Power Electronics Conference and Exposition，Vol．2，Atlanta，GA，Feb．1997:848 －854．

［2］ West S，Krein P T．Equalization of Valve-regulated Lead-acid Batteries:Issues and Life Test Results［C］．Proc．22ndInternational TelecommunicationsEnergyConference， Dresden， Germany，Sept．2000:439 － 446．

［3］ Kimball J W，Krein P T．Analysis and Design of Switched Capacitor Converters［C］．Proc．20thAnnual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition，Vol．3，Mar．2005:1473 －1477．

［4］ Isaacson M J，Hoolandsworth R P，Giampaoli P J．Advanced Lithium Ion Battery Charger［C］．Proc．25thAnnual Battery Conference on Applications and Advances，Jan．2000:193 －198．

［5］ Nishijima K，Sakamoto H，Harada K．A PWM Controlled Simple and High Performance Battery Balancing System［C］．Proc．IEEE 31stAnnual Power Electronics Specialists Conference，2000:517 －520．

［6］ Lee Yuang-Shung，Cheng Mingwang．Intelligent Control Battery E-qualization for Series Connected Lithium-Ion Battery Strings［J］．IEEE Transactions on Industrial Electronics，2005，52(5):1297 －1307．

［7］ Wang Liye，Wang Lifang，Liao Chenglin．Based on Energy Transferring for Battery Packs Applied on Electric Vehicle［C］．2010 International Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering，2010:271 －274．

［8］ Markus Einhorn，Werner Roessler，Juergen Fleig．Improved Performance of Serially Connected Li-Ion Batteries with Active Cell Balancing in Electric Vehicles［J］．IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60(6):2448 －2457．

［9］ 章桐，賈永軒．電動汽車技術革命［M］．北京:機械工業出版社，2010．

［10］ 陳堅．電力電子學［M］．北京:高等教育出版社，2002．