大容量鋰離子電池組的高效均衡電路設計分析

夏來功

（廣東國光電子有限公司，廣東廣州，510800）

1 鋰離子電池組的均衡系統的現狀分析

目前工業界最常用的方法仍然是早期的分流電阻法，這種方法效率較低但是簡單可靠，很多公司也為此開發了專用的芯片，目前比較流行的是Intersil公司生產的ISL9208/16/17系列產品，已經可以做到最多12節中小容量單體鋰離子電池串聯。相比這些現有基于單芯片的管理系統，大容量鋰離子電池有如下特點：首先，大容量的單體鋰離子電池成本比較高，對均衡的效率和精度要求比較高，如果電池組壽命與自身價格不能相稱，將極大地限制其自身的推廣和發展；其次，大容量鋰離子電池由于自身容量大，如果均衡電流太小則效率低下，以20Ah的單體鋰離子電池為例，充電電流在3～5A，均衡電流要求1～2A，而ISL9208系列的自帶均衡電流最大只有200mA；最后，均衡電流的增大，能量消耗型均衡已經不適用，大電流下的能量消耗以及產生的高熱都會造成系統的不穩定。

2 均衡電路的拓撲選擇

對于非能量消耗型均衡，基本原理是將能量從電壓高的電池轉移到相鄰電壓較低的電池上。一般電路拓撲主要采用的是Buck-Boost結構左所示)，該結構實現簡單效率適中，但是在運行過程中為保持其工作在DCM狀態，控制MOS-FET的PWM波占空比要小于50%，因此能量的轉移只能在DT(D為占空比，T為開關周期)內進行。Buck-Boost結構的輸入/輸出電流是不連續的，在某些對電流有要求的場合是不適用的。基于開關型控制的思路，本文采用的是另一種開關型拓撲——Cuk結構，Cuk型結構的電路在DT和(1-D)T都可以進行均衡，PWM波占空比不受DCM限制，基本結構雖然比Buck-Boost略復雜，但能量轉移效率高，均衡時間短。另外，Buck-Boost結構的開關電流是脈動的，因此一般都需要附加一個輸入/ 輸出低通濾波器，而Cuk結構自身的L1、C1就已經起了這個作用，相比之下Cuk結構與Buck-Boost結構整體電路復雜程度相差不大。

3 均衡電路工作原理

主干電路由S1、S2、L1、L2和C1組成，設S1導通周期為Ton，周期為T，占空比D=Ton/T，由MCU產生PWM波來控制S1、S2的通斷。假設MCU檢測到VB1＞VB2，則B1要向B2轉移能量，MCU 向 S1發送 PWM信號，S2保持關斷。此時均衡電路進入工作狀態。(1)在Ton期間，S1導通，把能量輸入環路閉合。此時B1分流出的電流I1使L1儲能，電容C1放電I2，使L2儲能并向B2充能。(2)在Toff期間，S1斷開，把能量輸出環路閉合。此時B1的電流和L1的釋能電流I1使C1儲能，同時L2釋能電流I2向B2充。由此可知，S1無論在Ton還是off，B1都在向B2轉移能量，體現了Cuk拓撲的高效率，電容C1是能量轉移的載體，在整個周期T中輸入輸出都是持續電流。反之，若MCU檢測到VB2＞VB1，則向S2發送PWM信號，S1保持關斷，B向B1轉移能量。

4 控制電路

設計以單片機P87LPC768為核心。P87LPC7XX系列是Philips公司生產的基于80C51加速處理器結構的小型OTP單片機，性能是標準80C51MCU的兩倍，并且價格低廉，易于成本控制。P87LPC768內部集成了4KB的OTP程序存儲器，可編程的I/O端口，4通道多路8位A/D轉換器，2個模擬比較器和4通道10位PWM，且支持外部時鐘輸入。因此，直接使用單片機自帶的模擬比較器和PWM很方便。將相鄰兩塊電池的電壓輸出到單片機的比較器輸入端，根據判斷結果選擇對MOSFET開關進行控制，通過設置單片機內部存儲器的值控制輸出的PWM波形頻率和占空比，從而實現對電池的均衡控制。均衡策略：因為使用了單片機，所以可做到實時的監測，將均衡電壓設置為50mV，即相鄰電池間電壓差大于50mV則開啟均衡。通過軟件設置MCU周期性的檢測兩相鄰電池的壓差值，然后將差值取絕對值與設定的均衡電壓相比較，并根據差值的符號判斷向哪個開關輸出PW控制波，直到電壓差小于50m V則均衡停止。

5 仿真分析

本文針對的主要是20AH/3.7V的單體鋰離子電池，充電電流設定為4A。以3節電池組為例，用SABER2004進行仿真分析，單體電池用電容串聯小電阻等效(鋰離子電池的內阻較大有幾十毫歐左右)，開關頻率f=20kHz，占空比D=0.5。由仿真波形可以看到,均衡電路基本能實現單體電池之間的電壓均衡，最終達到個單體的電壓一致，說明方案是可行的。

6 結束語

本文以功率可雙向流動的Cuk變換器，通過單片機實現了大容量單體鋰離子電池的高效電壓均衡。在實際應用中，作為能量轉移載體的電容需要耐受較大的紋波電流，成本較高，這個是Cuk拓撲自身比較大的局限性，可以加入磁路結構以降低紋波電流，整體電路要復雜一些。