一種單電容單層的削峰填谷式鋰電池均衡電路

嚴(yán)利民，郭家富

（ 上海大學(xué) 微電子研究與開發(fā)中心，上海 200444 ）

0 引言

鋰電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、移動(dòng)通訊設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、軍用設(shè)備、航空航天電源、電動(dòng)工具等領(lǐng)域中。但是鋰電池組由于其電池固有的化學(xué)特性和電特性，每個(gè)鋰電池單元的充放電速率和自放電率都不同，在數(shù)個(gè)充放電周期后差異越來越大，存在安全隱患，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生爆炸。為了校正電池組內(nèi)部各電池單元的差異和保護(hù)電池組的用電安全，有必要對電池的端電壓、工作電流以及電池溫度等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，防止因單體電池失效而影響整個(gè)電池組性能，從而延長電池使用壽命、提高電池使用效率。因此，鋰電池均衡系統(tǒng)是鋰電池組在使用過程中必不可少的組成部分。

本文介紹一種削峰填谷式鋰電池均衡系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了單電容單層均衡結(jié)構(gòu)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明這套鋰電池均衡系統(tǒng)可以利用較低的器件成本，實(shí)現(xiàn)削峰填谷式均衡，實(shí)現(xiàn)能量利用最大化。

1 原理與方案

目前，對于鋰電池均衡管理系統(tǒng)已經(jīng)有較多的研究方案[1-7]，主要分為被動(dòng)均衡[8]和主動(dòng)均衡[2-4，6]。

主動(dòng)均衡方案是利用儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)高能量的鋰電池向低能量的鋰電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，從而提高整個(gè)鋰電池組整體的能量利用率，保證鋰電池組內(nèi)部單體鋰電池充放電的一致性和安全性，是廣受好評的均衡方案。

按照元器件分，現(xiàn)有的主動(dòng)均衡方法有：雙向DC-DC變流器法[5]、開關(guān)電感法[2]、開關(guān)電容法[3]等。其中，開關(guān)電容法控制簡單，可實(shí)現(xiàn)無損均衡，但均衡速度慢；開關(guān)電感法控制簡單，均衡電流可控，但能量僅在相鄰電池間傳遞；雙向DC-DC變流器法可同時(shí)對所有電池單體進(jìn)行充放電，控制靈活，均衡時(shí)間短，但均衡效率較低，需要耗費(fèi)較長時(shí)間，成本較高。

鋰電池組均衡技術(shù)按照實(shí)現(xiàn)的均衡方式分，主要為三大類：填谷式均衡、削峰式均衡以及削峰填谷式均衡。填谷式均衡即利用儲(chǔ)能元件將整個(gè)鋰電池組的電量轉(zhuǎn)移給能量最低的鋰電池；削峰式均衡即利用儲(chǔ)能元件將能量從高的鋰電池上轉(zhuǎn)移到整個(gè)鋰電池組，達(dá)到電量均衡；削峰填谷式均衡綜合了前兩種均衡方法的優(yōu)點(diǎn)，將高電量的鋰電池電量通過儲(chǔ)能元件直接轉(zhuǎn)移到低電量鋰電池，是電池組內(nèi)部單體鋰電池的一對一均衡，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)鋰電池組內(nèi)部的電量一致性。

實(shí)現(xiàn)削峰填谷式均衡，存在以下難點(diǎn)：①削峰填谷式均衡對采樣電路的要求較高，需要對各節(jié)鋰電池的端電壓進(jìn)行采樣；②經(jīng)過對比，判斷出哪節(jié)是峰電壓電池，哪節(jié)是谷電壓電池；③需要對不同位置的峰谷電壓電池做出控制信號(hào)的發(fā)送，實(shí)現(xiàn)峰電壓電池的電量向谷電壓電池電量的一對一轉(zhuǎn)移。

綜上所述，本文采用了單電容單層的削峰填谷式鋰電池均衡電路。

2 單電容單層均衡結(jié)構(gòu)

本文使用了一種控制較為簡單的單電容均衡結(jié)構(gòu)，如圖1所示，這種均衡結(jié)構(gòu)將鋰電池?cái)[放在電路的中間，每個(gè)單體鋰電池兩端都串聯(lián)一個(gè)開關(guān)器件并且與電容并聯(lián)。均衡4節(jié)單體鋰電池，均衡結(jié)構(gòu)僅需8個(gè)開關(guān)器件，每個(gè)單體鋰電池兩端的一對開關(guān)器件同時(shí)控制。因此，改進(jìn)后的單電容均衡結(jié)構(gòu)控制簡單，使用開關(guān)器件更少且達(dá)到較好的均衡效果。同樣，根據(jù)這種結(jié)構(gòu)的分析發(fā)現(xiàn)，若利用該結(jié)構(gòu)對n節(jié)電池進(jìn)行均衡，則所需的開關(guān)數(shù)量為2×n個(gè)。

在實(shí)際電路搭建過程中，開關(guān)以一個(gè)光電開關(guān)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)互補(bǔ)對稱的MOSFET來實(shí)現(xiàn)，對光電開關(guān)輸入高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)MOSFET導(dǎo)通，即開關(guān)閉合；對光電開關(guān)輸入低電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)的兩個(gè)MOSFET截止，即開關(guān)斷開。在運(yùn)用OrCAD仿真軟件對單電容單層均衡結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)，該均衡結(jié)構(gòu)可以省略部分MOSFET而同樣實(shí)現(xiàn)相應(yīng)電路的通斷，達(dá)到理想的均衡效果。圖2為省略部分MOSFET之后搭建的單電容單層均衡結(jié)構(gòu)的OrCAD仿真結(jié)構(gòu)圖。

眾所周知，每個(gè)MOSFET的工作原理是由于其內(nèi)部有寄生二極管的存在，以寄生二極管來實(shí)現(xiàn)開關(guān)功能，所以為了更加方便、直觀，在OrCAD仿真軟件中直接用二極管來等效實(shí)際單電容均衡結(jié)構(gòu)中的MOSFET。

在對單電容單層法的仿真結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真的過程中發(fā)現(xiàn)，連接兩端電池四條支路上的MOSFET均可以省略一個(gè)，因?yàn)榇_定最底端的鋰電池接地，所以鋰電池串聯(lián)之后的電勢將隨著鋰電池串聯(lián)數(shù)量而逐漸抬高，那么連接最底端的鋰電池和最高的鋰電池的四個(gè)開關(guān)通路也確定，由于二極管的反向截止特性，故可省略上述四條通路的MOSFET數(shù)量；而其他連接中間鋰電池通路上的MOSFET均無法省略。單電容均衡波形如圖3所示，圖中可見，均衡5節(jié)鋰電池，單電容均衡法所需MOSFET數(shù)量為16個(gè)，控制信號(hào)為5個(gè)。由此可見，在器件成本上單電容單層均衡結(jié)構(gòu)較低，控制也較簡單，是一個(gè)可以選擇的均衡方案。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 充電均衡

本實(shí)驗(yàn)采用恒流充電，對初始狀態(tài)不均衡的鋰電池組進(jìn)行充電均衡，需知充電電流大小，由于本實(shí)驗(yàn)研究的均衡將用于家庭、辦公的儲(chǔ)能設(shè)備能源墻上，根據(jù)國家規(guī)定的峰谷電的劃分，谷電時(shí)間是夜間22點(diǎn)至清晨8點(diǎn)，共計(jì)10h。實(shí)驗(yàn)采用的INR18650鋰電池容量為1500mAh，同時(shí)保證大于10%的余量，故用165mA電流進(jìn)行充電，充電截止電壓為4．2V。

充電均衡電池組電壓曲線如圖4所示，均衡充電初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)見表1。從表1中可知，電池組充電初始狀態(tài)電壓極差為861mV，充電結(jié)束后電壓極差為8mV，電池組從不均衡狀態(tài)進(jìn)入均衡狀態(tài)約需150min。

3.2 放電均衡

對初始狀態(tài)不均衡的電池組進(jìn)行放電均衡，實(shí)驗(yàn)采用恒流放電，同理，根據(jù)國家規(guī)定的峰谷電的劃分，峰電的時(shí)間是早晨8點(diǎn)至夜間22點(diǎn)，共計(jì)14h。實(shí)驗(yàn)采用的INR18650鋰電池容量為1500mAh，同時(shí)保證大于10%的余量，故用95mA電流進(jìn)行放電，放電截止電壓為2．7V。

放電均衡電池組電壓曲線如圖5所示，放電均衡初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)見表1。從表1中可以看出，電池組放電初始狀態(tài)電壓極差為397mV，放電結(jié)束后電壓極差為8mV。

3.3 靜態(tài)均衡

對初始狀態(tài)不均衡的電池組進(jìn)行靜態(tài)均衡實(shí)現(xiàn)，靜態(tài)均衡曲線如圖6所示。靜態(tài)均衡初始狀態(tài)、結(jié)束狀態(tài)電池組各電池單元電壓值見表1。從圖6中可以看出，電池組靜態(tài)均衡初始狀態(tài)電壓極差為986mV，靜態(tài)均衡結(jié)束后電壓極差為9mV，靜態(tài)均衡時(shí)間約為270min。

同時(shí)，為了實(shí)際驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的削峰填谷式鋰電池均衡系統(tǒng)的均衡效果，還對此均衡系統(tǒng)分別在鋰電池處于靜置、充電、放電三種狀態(tài)下的均衡數(shù)據(jù)與其他利用電容組成的鋰電池均衡系統(tǒng)[9-10]進(jìn)行比較，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。表2可見本文設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)不論處于何種狀態(tài)都優(yōu)于另外兩種均衡系統(tǒng)，而文獻(xiàn)[10]所述的均衡系統(tǒng)與本文的均衡系統(tǒng)實(shí)際均衡時(shí)間相近，但其控制相較本文設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)更復(fù)雜。

綜上所述，根據(jù)對本文所設(shè)計(jì)的削峰填谷式鋰電池均衡系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與測試數(shù)據(jù)顯示發(fā)現(xiàn)，此系統(tǒng)可以完全在保證用電安全，避免欠壓、欠流、過流、過放的前提下，實(shí)現(xiàn)鋰電池組內(nèi)部削峰填谷均衡的功能，最大程度地合理利用整個(gè)鋰電池組的能量，且均衡速度足夠快。

表1 充電、放電、靜態(tài)均衡初始、結(jié)束狀態(tài)電池單元電壓

表2 多種均衡系統(tǒng)的比較數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

本文主要闡述了一種削峰填谷式主動(dòng)均衡方案，以及在均衡模塊上的研究。選擇單電容單層的均衡結(jié)構(gòu)來完成均衡模塊的構(gòu)建，為了節(jié)約器件成本，將連接同一節(jié)鋰電池的兩組雙向MOS管光電開關(guān)串聯(lián)起來用同一個(gè)控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的成對控制，保證電路的實(shí)時(shí)性與簡潔性；同時(shí)對搭建完成的均衡電路板進(jìn)行了測試，可以實(shí)現(xiàn)較好的削峰填谷式均衡。