趙 權(quán)，周 琰，趙 勝，李霞林，魏 瑋

應(yīng)用研究

三元鋰電池電壓被動(dòng)均衡維護(hù)方案研究

趙 權(quán)，周 琰，趙 勝，李霞林，魏 瑋

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

為改善三元鋰電池系統(tǒng)串聯(lián)電池的一致性，提出了一種電壓被動(dòng)均衡維護(hù)方案，通過(guò)脈沖控制設(shè)計(jì)，使電壓均衡和電壓采樣解耦，規(guī)避均衡帶來(lái)的不利影響，同時(shí)設(shè)計(jì)兩種維護(hù)場(chǎng)景，提供更全面的均衡維護(hù)保障。

三元鋰電池 被動(dòng)均衡 脈沖控制

0 引言

在我國(guó)低碳政策引導(dǎo)下，鋰電池在軍用和民用綠色動(dòng)力能源、儲(chǔ)能方面成為了新能源的焦點(diǎn)。其中，三元鋰電池因高能量密度、大功率持續(xù)放電性能強(qiáng)[1]等優(yōu)勢(shì)在無(wú)人航行器領(lǐng)域獲得了大量應(yīng)用。鋰電池系統(tǒng)使用電池串聯(lián)—并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高電壓等級(jí)和能量。多個(gè)并聯(lián)電池分支互為能量冗余，每一支路使用單一串聯(lián)模型利于單體電池的可測(cè)性和維護(hù)性，電池均衡也在串聯(lián)結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)。

目前，電池均衡按照能量處理方式可分為主動(dòng)均衡[2-3]和被動(dòng)均衡[4-6]。主動(dòng)均衡為能量轉(zhuǎn)移方式，通過(guò)外圍電路將高電壓電池能量轉(zhuǎn)移到低電壓電池；被動(dòng)均衡為能量耗散式均衡，是將高電壓電池能量釋放到低電壓電池的電壓水平。主動(dòng)均衡效率高，能量利用率高，但電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可靠性低[3]，因此被動(dòng)均衡在實(shí)際應(yīng)用中占據(jù)了重要的位置。主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡目前由于技術(shù)局限性，均以電壓一致性為目標(biāo)，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻和線阻的存在，電池均衡時(shí)會(huì)將上述參數(shù)的電壓損失耦合到電池電壓采樣中，進(jìn)而破壞電壓均衡基準(zhǔn)。

本文提出了一種控制方案通過(guò)脈沖控制解除電壓均衡和電壓采樣的不利耦合，同時(shí)為提高均衡維護(hù)能力，設(shè)計(jì)了兩種維護(hù)場(chǎng)景/時(shí)機(jī)，更全面的保障電池性能。

1 被動(dòng)均衡原理和不利耦合

1.1 被動(dòng)均衡原理

圖1 被動(dòng)均衡放電電路

電池被動(dòng)均衡通過(guò)電池單體旁聯(lián)電阻進(jìn)行放電，在充電時(shí)表現(xiàn)為減少充電電流。

如圖1所示，C2和C1分別是一個(gè)電池的高低電位點(diǎn)。當(dāng)電池電壓較高時(shí)，S2輸出低電平，控制MOS管Q2C開(kāi)通，電池通過(guò)R2M放電或分擔(dān)充電電流，從而達(dá)到電壓均衡目的。

1.2 被動(dòng)均衡與采樣的不利耦合

理論上電池電壓均衡和電池電壓采樣可以同步，但在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)殡姵貎?nèi)阻、線阻因素，電池均衡載荷對(duì)電壓采樣產(chǎn)生了不利影響。

圖2 單一電池均衡和采樣耦合

當(dāng)考慮單一電池均衡時(shí)，如圖2所示，在基位電池Battery2的均衡和采樣耦合模型中，r20和r21為電池內(nèi)阻，rm1和rm2為采樣電路和均衡電路公共線路阻抗。由于均衡載荷（方向如箭頭指向）經(jīng)過(guò)公共線路會(huì)在r20、r21和rm1、rm2上產(chǎn)生電壓損失，導(dǎo)致SC1電位點(diǎn)偏高，SC2電位點(diǎn)偏低，使得電池電壓采樣數(shù)據(jù)（SC2-SC1）偏低。單邊SC1作為低端相鄰電池的高電位點(diǎn)，其偏高也將使低端相鄰電池電壓采樣數(shù)據(jù)偏高；單邊SC2作為高端相鄰電池的低電位點(diǎn)，其偏低也將使高端相鄰電池電壓采樣數(shù)據(jù)偏高。在這種情況下，均衡控制效果將極大偏低于目標(biāo)。

當(dāng)考慮相鄰電池同時(shí)開(kāi)啟均衡時(shí)，電路狀態(tài)與電池均衡載荷相關(guān)，如圖3所示。

1）當(dāng)相鄰電池均衡載荷大于基位電池均衡載荷時(shí)，高端和低端相鄰電池均衡載荷方向?yàn)槟鏁r(shí)針，電池內(nèi)阻和線阻表現(xiàn)為電壓損失，使得電壓采樣數(shù)據(jù)偏低；基位電池載荷模型中，線阻表現(xiàn)為電壓增益，電池內(nèi)阻表現(xiàn)為電壓損失，電壓采樣數(shù)據(jù)變化方向由增益、損失兩者中的最大者決定。

2）當(dāng)相鄰電池均衡載荷等于基位電池均衡載荷時(shí)，基位電池雙邊線路阻抗rm1和rm2上無(wú)載荷。高端和低端相鄰電池均衡載荷方向仍為逆時(shí)針，電池內(nèi)阻和線阻表現(xiàn)為電壓損失，使得電壓采樣數(shù)據(jù)偏低；基位電池由于電池內(nèi)阻上的電壓損失，同樣使得電壓采樣數(shù)據(jù)偏低。

3）當(dāng)相鄰電池均衡載荷小于基位電池均衡載荷時(shí)，基位電池均衡載荷方向?yàn)槟鏁r(shí)針，內(nèi)阻和線阻表現(xiàn)為電壓損失，使得電池采樣數(shù)據(jù)偏低；高端相鄰電池低電位邊線阻rm2表現(xiàn)為電壓增益，電池內(nèi)阻r30、r31和線阻rm3表現(xiàn)為電壓損失，低端相鄰電池高電位邊線阻rm1表現(xiàn)為電壓增益，電池內(nèi)阻r10、r11和線阻rm0表現(xiàn)為電壓損失，高端和低端相鄰電池采樣數(shù)據(jù)變化方向由各自負(fù)載回路增益、損失兩者中的最大者決定。

圖3 相鄰電池與基位電池的電池均衡和采樣耦合

其他如高端相鄰電池均衡載荷較大而低端相鄰電池均衡載荷較低的情況可以同理分析，與電池電壓采樣同樣產(chǎn)生不利耦合。

2 被動(dòng)均衡維護(hù)方案

2.1 被動(dòng)均衡脈沖控制方案

電池均衡以電池電壓采樣數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，而電池均衡帶來(lái)的不利耦合將降低基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并最終影響均衡效果。

為避免均衡帶來(lái)的不利耦合，需要消除均衡和采樣電路耦合部件，即電池內(nèi)阻、線阻。線阻耦合可以通過(guò)使用獨(dú)立的采樣線從電池極耳處直接引出的方式進(jìn)行消除；但電池內(nèi)阻通過(guò)電池材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化只能減小，無(wú)法避免，因此從耦合部件方面進(jìn)行處理無(wú)法解決問(wèn)題。

利用時(shí)間分離原理，將電池均衡和電池采樣分配不同的碎片時(shí)間。在均衡電路的MOS管柵源端，使用脈沖進(jìn)行控制。脈沖高電平時(shí)，MOS管開(kāi)通，均衡開(kāi)啟；脈沖低電平時(shí)，MOS管關(guān)斷，均衡關(guān)閉，并在此段時(shí)間進(jìn)行電池采樣。調(diào)節(jié)脈沖占空比即可控制電池均衡速率。

由于電池均衡和電池采樣分別使用脈沖的高電平段和低電平段，工作時(shí)間不重疊，因此在時(shí)間線上解除了耦合，保證了電池均衡和電池采樣的宏觀兼容。

圖4 均衡控制時(shí)序

2.2 均衡維護(hù)時(shí)機(jī)/場(chǎng)景

通常電池均衡跟隨電池充電任務(wù)一起進(jìn)行。在充電過(guò)程中，通過(guò)識(shí)別電池組各電池單體電壓狀態(tài)，決策是否開(kāi)啟均衡。由于被動(dòng)均衡是能量消耗型，在充電結(jié)束后，開(kāi)啟均衡等于消耗電池能量，會(huì)降低后續(xù)作戰(zhàn)任務(wù)保障性，所以充電任務(wù)結(jié)束，均衡也便結(jié)束。

在實(shí)際應(yīng)用中，充電時(shí)間作為一個(gè)性能要求，當(dāng)電池一致性較差時(shí)，很可能因?yàn)槌潆姇r(shí)間限制，無(wú)法達(dá)到均衡目標(biāo)。因此，除充電均衡外，還應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的電池維護(hù)任務(wù)場(chǎng)景。

均衡根據(jù)設(shè)計(jì)場(chǎng)景分為充電均衡和待機(jī)均衡：

1）充電均衡，隨充電進(jìn)行，為兼容充電和均衡，在充電時(shí)間限值下，達(dá)到電池組充滿條件，并接近（可能完成）均衡目標(biāo)；

2）待機(jī)均衡，在日常維護(hù)（無(wú)作戰(zhàn)任務(wù)）時(shí)進(jìn)行，此時(shí)電池動(dòng)力負(fù)載為0，開(kāi)啟均衡將高電壓電池的能量進(jìn)行泄放，整個(gè)均衡過(guò)程中，只有內(nèi)部均衡載荷。

圖5 被動(dòng)均衡維護(hù)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

3 結(jié)論

本文針對(duì)三元鋰電池，介紹了電壓被動(dòng)均衡原理，詳細(xì)分析了被動(dòng)均衡和電池電壓采樣的不利耦合因素，在此基礎(chǔ)上，提出了一種脈沖控制方案進(jìn)行時(shí)間解耦，此外，為改善均衡能力設(shè)計(jì)局限，明確了兩種均衡維護(hù)場(chǎng)景，更全面地保障電池一致性。本文提出的均衡維護(hù)方案技術(shù)可行，應(yīng)用性強(qiáng)，具有較強(qiáng)的參考意義。

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Study on the passive voltage equalization maintenance for ternary lithium battery

Zhao Quan, Zhou Yan, Zhao Sheng, Li Xialin, Wei Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP23

A

1003-4862（2023）09-0018-03

2022-08-22

趙權(quán)（1993-），男，工程師，研究方向：電源控制系統(tǒng)。E-mail：1318609555@qq.com