電動汽車電池均衡技術(shù)綜述

閆改珍 徐朝勝 李進 權(quán)悅

(安徽科技學院機電與車輛工程學院，安徽滁州 233100)

1 電池不一致性及其危害

電動汽車動力電池由多節(jié)單體充電電池串并聯(lián)而成，以滿足動力源的電壓需求和容量需求［1］。由于制造工藝、老化及環(huán)境溫度的影響，單體電池在容量、內(nèi)阻等性能上不可避免地存在不一致性。成組工作的單體電池的循環(huán)壽命低于單獨工作的單體電池，這主要是由單體電池的不一致性造成的［2-3］。電池的不一致性及其危害主要表現(xiàn)在:

(1)容量不一致性。首先，容量不同的蓄電池放電深度不盡相同。同組電池中，容量較大的電池還處于淺放電時，容量較小的電池可能已進入深放電階段或已放電完而成為電路的負載，出現(xiàn)蓄電池的反極現(xiàn)象，使得整個蓄電池組不能正常工作，同時對反極的蓄電池壽命造成極大的影響。其次，不同容量的同類電池最佳放電電流不同，但成組工作時各電池工作電流相同，無法兼顧。最后，充電過程中，容量較小的電池電壓上升較快，充電即將結(jié)束時極易過充。容量較小的電池在充放電過程中易進入惡性循環(huán)而提前損壞。

(2)內(nèi)阻不一致性。放電過程中，內(nèi)阻大的電池壓降和能量損耗較大，易產(chǎn)生熱量導致電池升溫，而環(huán)境溫度的不一致性會進一步加劇組內(nèi)電池性能的不均衡。充電過程中，內(nèi)阻較大的電池充電電壓較大，容易提前達到電壓上限。

(3)電壓不一致性。容量和內(nèi)阻不一致，導致電池組在使用過程中電壓不一致性日趨嚴重。電壓不一致成為電池特性不一致的最終表象。對單體電池能量進行均衡控制是確保電池組充分發(fā)揮效能的重要保障。

2 均衡方案及相關(guān)文獻

近年來出現(xiàn)的新型電池，如鋰電池，敏感易損，工作電壓精度要求較高，因此鉛酸電池通過控制過充，監(jiān)測電池溫度的被動均衡方法不再適用。本文重點介紹近年來出現(xiàn)的幾種主動均衡方法。按照電路結(jié)構(gòu)，主動均衡方法可以分為分流均衡法，梭動電容法和能量轉(zhuǎn)換法，如圖1所示。

圖1 主動均衡法及分類圖

3 分流均衡法

分流均衡法通過給電池并聯(lián)分流回路來實現(xiàn)。當某個單體電池荷電狀態(tài)高于其他電池時，接通與之并聯(lián)的分流通路，放慢該電池的充電速率，從而實現(xiàn)荷電均衡。按照分流回路的耗散性，分流均衡法可進一步分為耗散型分流均衡和非耗散型分流均衡。

3.1 耗散型分流均衡

典型的耗散型分流均衡電路如圖2所示。

圖2 耗散型分流均衡電路

圖2(a)中的分流回路由一個MOS開關(guān)和分流電阻組成，分流電阻的大小決定均衡能力的大小。若分流電阻提供的均衡電流為10 mA/Ah，則電路每小時能提供1%的均衡力。實際選用電阻時，應綜合考慮均衡效率和熱量耗散問題。分流電阻輻射大量熱量會改變電池的環(huán)境溫度，加劇組內(nèi)電池的不均衡性。

圖2(b)中的分流器件為三極管。當電池電壓超過允許的充電電壓值時，電壓比較器反相端電位(電池電壓分壓)高于同相端電位(由穩(wěn)壓電路輸出的參考電位)，驅(qū)動三極管導通。可見該方案僅在充電即將結(jié)束時才開始均衡，與圖1所示方案相比能量損耗較小。同時該方案無需智能電壓檢測系統(tǒng)，并具有較好的可擴展性，便于模塊化設(shè)計。

3.2 非耗散型分流均衡

幾種典型的非耗散型分流均衡電路如圖3所示。

圖3 非耗散型分流均衡電路

圖3(a)為完全分流均衡電路［5］。當電池Bi充滿電荷時，Si2導通，Si1斷開，電池Bi的充電電流被完全旁路。這一均衡方案要求充電器的輸出電壓能夠在較大范圍內(nèi)變化，造價較高。

圖3(b)為同構(gòu)CE構(gòu)成的均衡電路，相鄰電池間并接一個電池均衡單元(CE)。每個均衡單元可以有不同的電路結(jié)構(gòu)，如文獻［6］中的CE結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示，PMOS管和NMOS管在PWM脈沖的控制下交替導通。當NMOS管導通時，電池B1的充電電流減小，電感L開始蓄能;當NMOS管斷開時，PMOS管導通，電感L感生出左正右負的感生電動勢并對電池B2釋能，使其充電電流高于其他電池。控制PWM脈沖的脈寬可調(diào)整每個周期的電荷均衡量，改變PWM脈沖的極性可以控制電荷的轉(zhuǎn)移方向。該方案可以實現(xiàn)電池的無損均衡，但需要精確的電池電壓監(jiān)測，且電路結(jié)構(gòu)相對復雜。

4 梭動均衡法

梭動均衡法通過將電容器并接于各單體電池兩端并進行切換實現(xiàn)均衡。荷電狀態(tài)相對較高的電池將對電容充電，荷電狀態(tài)相對較低的電池接受儲能元件釋放的電荷。典型的梭動均衡法電路如圖4所示。

圖4(a)為多切換電容法［8-10］，通過在相鄰電池間并接一個切換電容來實現(xiàn)均衡。在聯(lián)動開關(guān)的控制下，各電容同步在相鄰電池間反復切換。每次切換前，電容均會被充電或放電至與之并聯(lián)的電池電壓。該法無需智能控制系統(tǒng)，應用電路較為簡單。但對于鋰離子電池，荷電狀態(tài)在20%到80%時電壓變化較為平坦，均衡精度較低，因而在混合動力車中的應用受到限制。

圖4(b)所示的單切換電容法［4，7］與圖4(a)類似，但僅使用一個切換電容。與圖4(a)相比，電容依次在所有單體電池間切換，電池組中的單體電池越多，則均衡周期越長，均衡速度越慢。

圖4 梭動均衡法

5 能量轉(zhuǎn)換法

能量轉(zhuǎn)換法通過輸入和輸出絕緣的DC/DC變換器將電池組的能量轉(zhuǎn)移到單體電池中。幾種典型的能量轉(zhuǎn)換型均衡電路如圖5所示。

圖5 能量轉(zhuǎn)換型均衡電路

圖5(a)所示為多繞組變壓器均衡電路［11］。均衡電路結(jié)構(gòu)類似于一個多輸出反激式DC/DC變換器，單體電池電壓越低，與之連接的變壓器副邊電流越大。該均衡電路無需閉環(huán)控制及電壓監(jiān)視器，均衡效率較高。但電路設(shè)計時需要考慮最大的單體電池數(shù)目，因此可擴展性和裁剪性較差。同時，多繞組變壓器設(shè)計本身也有一定難度。

圖5(b)所示為切換變壓器均衡電路［4］。均衡電路由多輸出反激式變換器變?yōu)橐粋€單輸出變換器，通過切換開關(guān)，依次將變換器的輸出接到不同的單體電池兩端進行均衡。由于無須使用多繞組變壓器，電路的設(shè)計難度和成本大大降低，但切換開關(guān)的使用增加了控制邏輯的復雜度，并使電路損耗增加，均衡效率降低。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)外學者已充分認識到成組使用的電池不一致性帶來的危害，并針對多種形式的均衡電路和均衡控制方案作了深入研究。均衡控制技術(shù)從理論研究到電動汽車中普及應用需考慮以下3個方面的要素:

(1)均衡效率。均衡效率具體又包含均衡時效與均衡能效。快速充電是對電動汽車動力電池的必然要求，直接關(guān)系到電動汽車的推廣與普及。均衡速度越快說明其對快速充電的適應能力越強，而較慢的均衡速度將在快速充電時出現(xiàn)均衡力不足的情形。均衡能效越高，則均衡電路本身的能量損耗越小，動力電池能量直接影響電動汽車的續(xù)航里程。均衡效率的提高有賴于均衡電路及均衡控制算法的合理選擇。

(2)系統(tǒng)復雜度與可擴展性。在保證系統(tǒng)均衡精度和效率的前提下，盡可能降低系統(tǒng)復雜度，以降低系統(tǒng)成本及能耗。模塊化設(shè)計將有效降低設(shè)計難度，并使系統(tǒng)的可擴展性增強。

(3)電磁輻射及抗干擾能力。均衡系統(tǒng)作為電動汽車的一部分，工作環(huán)境較為惡劣。電動機、供電系統(tǒng)繼電器、可控硅等都可能產(chǎn)生大的電流沖擊，通過數(shù)據(jù)傳輸線、電源及空間輻射形成較強的電磁干擾。因此電路設(shè)計時應選擇合適的器件，并合理設(shè)計電路，使其具有較高的抗干擾能力，同時減小其對其他電路的電磁輻射和電磁干擾。

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