動力電池組均衡電路比較

孫益恒 王君艷

【摘要】受當前電池工藝的限制，電池的一致性成為多節電池串聯系統的一個問題。 未解決這個問題， 各種均衡電路層出不窮。本文比較當前主流的均衡電路， 然后提出自己設計的幾種均衡電路。

【關鍵詞】動力電池;均衡;變壓器

純動力汽車或混合動力汽車功率大，需要串聯較多的電芯，以形成較高的電壓。一般的鋰離子單個電芯電壓只有3.6V.對電動轎車而言，一般需要串聯至少50個電芯。

電池由于自身生產的工藝問題，不可能做到每只電池的在容量和內阻上做到完全一致。因此，每個電池的容量，充放電曲線也是不完全一樣的。這使得，在串聯充電的過程中， 雖然電流相同，但轉化為每只電池的化學能是不一樣的，每只電池的電壓變化也不是完全一致的。在長期的充放電循環中，電芯的電壓差就會變大，從而影響整個電池系統的容量。

因此，在鋰電池系統中，必須使用均衡電路來減小各電芯間的電壓差，從而使得電池系統的電壓能夠最大化。

本文主要討論當前主要的均衡電路，并給出自己的變壓器均衡。

一、均衡電路的分類

均衡電路的結構多種多樣，其分類標準也不一相同。

1.按照能量轉移的對象

對于電壓較高的電池，需要泄放電池能量來減小電壓。泄放能量可以通過并聯一個電阻對電池放電，從而減少電池電壓（如圖1所示）。這種方式叫被動均衡也可以通過額外的電路把電壓較高電池的能量轉移到電壓較低的電池中去，從而使后者的電壓升高。這種方式叫主動均衡。

圖1 電阻均衡

2.按照電路的隔離方式

由于在串聯的電池共模電壓是不一樣的。

均衡時通過電容或變壓器等元器件對放電電池和充電電池進行隔離的叫做隔離均衡。反之稱為非隔離均衡。

二、當前均衡電路

1.電阻均衡（見圖1）

電阻均衡屬于被動非隔離式均衡均衡。這種均衡給每一個電池并聯一個電阻，當電池電壓較高時，通過開關經電阻給電池放電。

圖2 電容均衡

這個電路優點就是結構簡單，在電路上易于實現，而且工作可靠。缺點也很明顯，第一，因為是電阻產生熱量來降低電池電壓，對電能浪費嚴重，沒有把能量轉移到電壓低的電池中去。第二，電阻放電會產生的熱量會使整個結構內局部溫度升高，個別電池環境溫度升高，破壞的電池同一的環境。第三，由于電阻均衡會產生熱量，這使得均衡（下轉第85頁）（上接第81頁）電流收到限制。當電池系統充電電流比較大，各電池一致性不好時，就需要更大的均衡電流。 電阻均衡一般只能做到100mA均衡電流以下。

圖3 電感均衡

2.電容均衡（見圖2）

電容均衡屬于主動隔離式均衡。

該均衡是在每一個電池系統里放置一個電容，當有一電池電壓比較高時，電池先放電給這個電容，然后再通過開關切換，把電容里的電充到電壓較低的電池里。

相對于電阻均衡，電容均衡效率要高的多，能量浪費少，均衡速度會比較快，均衡電流也容易做大。但缺點也很明顯。開關切換控制比較復雜，而且開關閉合時由于電池的內阻非常小，容易產生很高浪涌電流，這個浪涌電流超過電池的額定電流，影響電池的壽命。

3.電感均衡（見圖3）

這個電路實際上是Buck電路。當某一電池電壓達到均衡值時（以第一節，N1，和第二節，N2，電池為例），當N1電壓最高時，K1閉合時，L1儲能。K1斷開時，L1對N2充電，通過D1，電流回到L1中。這個電路的缺點就是能量要依次的轉移，當N1的能量要轉到N4時，必須先轉給N2，N2轉給N3，N3再轉給N4。總的效率比較低。

三、本文提出的均衡（變壓器均衡）

以上均衡的電池之間是沒有隔離的，當開關元器件失效時，電池會出現短路，有很大的安全隱患。變壓器均衡由于隔離了充電電池和放電電池，可以較好的解決這個問題。通過對繞組的不同安排， 變壓器又可以分為以下幾種均衡。

1.一對一均衡（見圖4）

一對一均衡就是最高電壓的電池電量能夠直接轉移到最低電壓電池中去，均衡速度比較快。當某一電芯電壓比較高時，就會通過開關閉合儲能，然后通過次級開關的選擇，把能量傳遞給電壓低的電池。均衡電流也可以做到幾個安培。但變壓器比較復雜， 在一個磁芯上繞制8個繞組，會帶來較大的漏感損耗，電磁兼容的效果也不好。而且初級繞組輸入電壓比較低，還需要額外的隔離驅動。

2.一對一均衡（見圖5）

該方案副邊繞組只有一個，通過次級開關來選擇接受能量的電池，使用雙刀多擲的開關可以實現。但是每次只能給一個電池補充電量。當有兩個或兩個以上的電池電壓較低時，該均衡 的速度就會比較慢。雖然減少了次級繞組，但對次級的開關可靠性有更高的要求。而且此電路還是有初級線圈的輸入電壓只有3-4V，開關管驅動電壓變壓器隔離驅動，整體電路結構還是比較復雜。

3.一對多均衡（見圖6）

該均衡電路給電壓最高電芯的放電，同時----給其它三個較低的充電。均衡效率高。相對于前面的變壓器均衡，該電路簡化了次級電路結構，缺點是只能降低最高的電池電壓。當出現3個電池電壓較高，一個電池電壓較低時，該均衡的速度就會比較慢。

4.多對一均衡（見圖7）

相對以上幾種變壓器均衡， 這種均衡硬件相對簡單。初級驅動之需要一個繞組。不但減低的變壓器工藝的復雜性，而且因為采用四節電池串聯輸入，輸入電壓比較高，從而也解決了初級驅動的問題。初級繞組會從每個電池中收集能量，然后通過控制開關2，3，4，5，來把能量傳遞給電壓較低的電芯。該電路初級結果簡單，次級每個電池對應一個繞組，開關的損壞，不會使電池短路，整體安全可靠。兼顧了均衡效率高，電路結構簡單，和安全性高的要求。

參考文獻

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