新型動力電池均衡器的設計

劉佳庚+++趙美紅

摘 要：本文將圍繞新能源汽車動力電池組充放電過程容量不均衡、電池組整體性能下降這一問題開展研究，設計出了一種可根據荷電狀態差異程度來調節單體電池充放電的高效均衡器，實驗表明：改進的新型均衡器有效提高了動力電池組的整體性能，對推動新能源汽車的發展奠定了重要基礎。

關鍵詞：動力電池；均衡器；均衡控制；荷電狀態

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A

0.引言

動力電池均衡器目前有3個基本形式：電阻式、電容式、電感式。電容式均衡器擁有使每個電池具有相同的電壓，使較高電壓與較低電壓之間進行能量的轉移，但是由于無法控制勵磁涌流，在電池電壓差異較大時會出現紋波電流流入電池，因此均衡SOC時它們不允許有任何的電壓差；電感式均衡器是不依賴于電池電壓而補償電池的內部電阻，且能夠提高均衡電流，在高電壓電池間最大限度在相鄰電池間分配電流，而不是平均分布在所有電池中，這種情況需要在每個電池上都有大量的元器件，并且需要控制器有較高的處理能力。

1.均衡器拓撲結構

改進的均衡控制電路系統由開關模塊、檢測模塊、控制模塊、均衡模塊組成，以電感和電容之間的不同結合構成的非能耗型均衡方案，本均衡電路由電感L、電容C和高速開關管開關管組成，通過改變高速開關管開關開斷順序以及占空比來實現均衡過程。

檢測模塊將各個電池的參數檢測值傳送給控制模塊的中央處理器，中央處理器根據所檢測到的參數計算出各個電池的充電＼放電狀態值，將狀態值最高的電池與狀態值最低的電池進行配對，通過開關模塊接入，將其進行均衡管理，由于是非能耗均衡，在均衡的過程中能量只在電池內部轉化。待均衡結束后再重新檢測，完成一個循環周期。

2.新型均衡器工作原理

整個均衡過程需要經過3個階段：1[t1-t2]：MOSFET開關管Q2、Q3導通，接通Bi，單體Bi將電荷傳遞至電感L上，L處于充能狀態。2[t2-t3]：開關管Q2、Q4導通，由于電感特性，經過L的電流不能突變，存儲的能量沿著 回路慢慢衰減，進而實現了對電容C的儲能，由于加上電感和電池的電壓，電容C上儲存的電壓高于電池電壓，在階段1和階段2過程中，電感的L兩端的電壓UL對時間的積分為零。3[t2-t3]：斷開Bi，接通Bj開關管Q1、Q4導通，電容對低電壓電池進行充電。

3.控制策略及仿真

假設B1向B2傳輸能量，不考慮損耗和誤差將均衡器看成是一個理想變壓器的組合如圖1所示。

本方案中均衡電路的電感，開關均比傳統均衡器有所減少，而且打破了只能相鄰電池之間傳遞能量的限制，任意兩個單體電池只要狀態值差偏大，都可以配對成功，觸發均衡電路，改進的均衡電路不僅開關數目減少，電感數目減少，而且相應的驅動電路也減少。這樣并且可以在動力電池組的任何運行狀態下實現一致性管理。

設計仿真電路原理圖，兩組開關為導通壓降為0.3V的MOSFET，其開關頻率為1Hz，電感為0.1mH，電容為200μF。仿真實驗選用兩個標稱電壓為10V的動力電池，內阻為2mΩ，兩個單體動力電池的初始SOC為別為70%，80%。均衡過程中，動力電池Bi向動力電池Bj傳遞能量，圖2為電容兩端的電壓情況。

通過進行實驗得到兩個電池之間的SOC變化狀態如圖7所示。

通過圖3中SOC變化曲線可見，兩單體電池的SOC值基本一致，故改進后的均衡器有效的完成了均衡，并且彌補了其他均衡器的不足。

結論

提出一種根據SOC荷電狀態進行充放電調節均衡電流的控制電路，控制電路能夠通過監測到的SOC狀態，通過最優化算法，選出兩個電池進行配對均衡，再由MOSFET的開斷來控制整個均衡電路的工作。實驗結果驗證了該電路的有效性，并且節能環保，避免了傳統電池均衡器的相鄰電池均衡的弊端，使不需要均衡的電池不用參與均衡過程，大大提高了均衡電路的工作效率，同時也降低了電池進行充放電工作時的損耗，對改善電池均衡狀態、提高工作效率、降低損耗上有一定的實際應用價值。

參考文獻

[1]趙美紅，劉佳庚.基于非線性模型的動力電池容量損耗的預測[J].可再生能源，2016（7）：1067-1071.

[2]蔡信健， 吳振興， 孫樂，等. 直流電壓不均衡的級聯H橋多電平變頻器載波移相PWM調制策略的設計[J].電工技術學報，2016， 31（1）：119-127.