電動汽車鋰電池組主動均衡系統設計

王磊+徐彬

【摘 要】目前，電動汽車車載動力電池組普遍采用鋰電池組，為了減小鋰電池組單體電池之間的差異，從而增加鋰電池組的循環使用次數以及防止意外事故的發生，我們有必要設計有效的均衡系統來縮小單體電池間的差異性，從而保障電動汽車能夠安全使用。在本文中，我們基于Buck-Boost電路原理設計了一種主動均衡電路，讓電能從電壓高的單體轉移到電壓低的單體上，使各單體趨于一致，實現了單體電池間的均衡。最后，我們進行了實驗驗證，采集了均衡前后的電壓，實驗數據表明該均衡系統產生良好效果，實現了預期功能。

【關鍵詞】鋰電池組；主動均衡；Buck-Boost

與傳統汽車相比，電動汽車具有很多優點，比如：無污染，噪音小，效率高等，所以，這些年來電動汽車得到大家的青睞，發展勢頭很迅猛，而動力電池技術是約束電動汽車發展的一個瓶頸。單體電池之間工藝和性能在出廠時會存在些許差別[1]。在使用過程中這種差異會逐漸放大，可能導致過充電和過放電的情況[2]，這會對電池造成很大損傷，甚至可能導致爆炸引發安全事故，這必須要引起我們的注意。配備良好的均衡系統可以減小單體之間的差異性，有效的保證鋰電池組安全可靠的運行。本文基于Buck-Boost電路原理設計了一種鋰電池組主動均衡系統，可以實現單體電池之間的均衡，使單體性能趨于一致，增加了電池組的循環使用次數，保證了電池組的安全使用。

1 主動均衡系統設計方案

1.1 均衡控制策略

實驗數據表明，電池的電壓與荷電狀態具有相關性。由于電池的荷電狀態與眾多參數有關，要想準確的得出荷電狀態的值比較困難。根據電池電壓與荷電狀態的相關性，我們可以根據單體的電壓值判別單體電池電量之間的差異性，從而決定是否需要進行均衡。電池管理系統實時采集單體的電壓，當單體電池的電壓之間出現差異，并且超過設定范圍時，開啟均衡電路，使得單體之間趨于一致性。

1.2 系統硬件設計

多個單體電池串聯構成鋰電池組，電池管理系統電壓采集電路采集鋰電池組的各單體電池電壓，并通過總線傳送給均衡主控，主控模塊根據各單體電壓值采取相應的策略控制均衡模塊組對單體進行均衡[3]，使各單體趨于一致性。

1.3 均衡主電路

圖1所示的是均衡系統的主電路原理圖。圖中用 3 個鋰電池表述電路圖中的原理。

由圖可知，電路圖中采用的是非能耗型的主動均衡方案，利用電感進行儲能。圖中，各回路的電源、電感，場效應晶體管和二極管等構成一個典型的 Buck-Boost 電路。通過控制各均衡回路MOSFET 管的導通與關斷，實現電能從電壓高單體通過變換轉移到電壓低單體，從而實現各單體電池之間的均衡。

1.4 均衡電路原理

在圖1所示的均衡控制電路中，我們選擇電池B1和B2之間的相互均衡來分析均衡電路具體的工作原理。二者相互均衡的等效電路圖如圖2所示。

在圖2中，當電池B1需要向電池B2轉移能量時，脈沖信號使N1導通，P1斷開，電池B1向電感L1傳輸能量，此時電感L1儲能；當脈沖信號處于低電平時，N1關閉，由于電感L1中的電流I不能突變，所以此時電流I流向R1、C2和B2，電感L1向C2充電，再由C2向電池 B2充電，實現電能由電池B1向B2的轉移。

當電池B2需要向電池B1能量轉移時，脈沖信號使P1導通，N1斷開。當P1導通時，電池B2向電感L1傳輸能量，L1儲能；當P1斷開時，由于電流I不能突變，故此時電流I流向了R1、C1和B1，從而對C1進行充電，再由C1向B1充電，實現了電能從電池B2向B1的轉移。

2 實驗與測試

為驗證該主動均衡方案能否實現預期功能，我們在電池組處于靜態的狀態下進行了實際電路實驗。電池組由12個鋰電池單體串聯構成，均衡時間設定為30min。分別測量均衡前后單體電池電壓，發現均衡后的電壓值的極差和方差比均衡前減小很多，由此可見，均衡后各單體電池電壓一致性有明顯改善，說明該電路的均衡效果優良，達到了預期的設計功能和要求。

3 結論

結合現有均衡技術，本文基于Buck-Boost電路原理的設計了一種非能耗型主動均衡系統，使得電能從電壓高的電池單體轉移到電壓低的電池單體上。由實驗可以得出，該均衡系統能有效提高電池單體間的一致性，較好的達到均衡的效果，從而大幅增加動力電池的循環使用次數，增加電動汽車的單次行駛里程，提高了電池組的利用率[4]。

【參考文獻】

[1]王禮進，張會生，翁史烈.內重整固體氧化物燃料電池控制策略研究[J].中國電機工程學報，2008，28（20）：94-98.

[2]王海飛.電動汽車電池組的監測和均衡設計[D].南京航空航天大學，2013.

[3]何仕品，朱建新.鋰離子電池管理系統及其均衡模塊的設計與研究[J].汽車工程，2009，31（5）：444-447.

[4]姚京，詹昌輝，韓廷，等.車載動力鋰電池組主動均衡系統設計[J].電子技術應用，2015，41（1）：129-131.

[責任編輯：田吉捷]endprint