孫益恒 王君艷

【摘要】受當(dāng)前電池工藝的限制，電池的一致性成為多節(jié)電池串聯(lián)系統(tǒng)的一個(gè)問題。 未解決這個(gè)問題， 各種均衡電路層出不窮。本文比較當(dāng)前主流的均衡電路， 然后提出自己設(shè)計(jì)的幾種均衡電路。

【關(guān)鍵詞】動(dòng)力電池;均衡;變壓器

純動(dòng)力汽車或混合動(dòng)力汽車功率大，需要串聯(lián)較多的電芯，以形成較高的電壓。一般的鋰離子單個(gè)電芯電壓只有3.6V.對(duì)電動(dòng)轎車而言，一般需要串聯(lián)至少50個(gè)電芯。

電池由于自身生產(chǎn)的工藝問題，不可能做到每只電池的在容量和內(nèi)阻上做到完全一致。因此，每個(gè)電池的容量，充放電曲線也是不完全一樣的。這使得，在串聯(lián)充電的過程中， 雖然電流相同，但轉(zhuǎn)化為每只電池的化學(xué)能是不一樣的，每只電池的電壓變化也不是完全一致的。在長期的充放電循環(huán)中，電芯的電壓差就會(huì)變大，從而影響整個(gè)電池系統(tǒng)的容量。

因此，在鋰電池系統(tǒng)中，必須使用均衡電路來減小各電芯間的電壓差，從而使得電池系統(tǒng)的電壓能夠最大化。

本文主要討論當(dāng)前主要的均衡電路，并給出自己的變壓器均衡。

一、均衡電路的分類

均衡電路的結(jié)構(gòu)多種多樣，其分類標(biāo)準(zhǔn)也不一相同。

1.按照能量轉(zhuǎn)移的對(duì)象

對(duì)于電壓較高的電池，需要泄放電池能量來減小電壓。泄放能量可以通過并聯(lián)一個(gè)電阻對(duì)電池放電，從而減少電池電壓（如圖1所示）。這種方式叫被動(dòng)均衡也可以通過額外的電路把電壓較高電池的能量轉(zhuǎn)移到電壓較低的電池中去，從而使后者的電壓升高。這種方式叫主動(dòng)均衡。

圖1 電阻均衡

2.按照電路的隔離方式

由于在串聯(lián)的電池共模電壓是不一樣的。

均衡時(shí)通過電容或變壓器等元器件對(duì)放電電池和充電電池進(jìn)行隔離的叫做隔離均衡。反之稱為非隔離均衡。

二、當(dāng)前均衡電路

1.電阻均衡（見圖1）

電阻均衡屬于被動(dòng)非隔離式均衡均衡。這種均衡給每一個(gè)電池并聯(lián)一個(gè)電阻，當(dāng)電池電壓較高時(shí)，通過開關(guān)經(jīng)電阻給電池放電。

圖2 電容均衡

這個(gè)電路優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，在電路上易于實(shí)現(xiàn)，而且工作可靠。缺點(diǎn)也很明顯，第一，因?yàn)槭请娮璁a(chǎn)生熱量來降低電池電壓，對(duì)電能浪費(fèi)嚴(yán)重，沒有把能量轉(zhuǎn)移到電壓低的電池中去。第二，電阻放電會(huì)產(chǎn)生的熱量會(huì)使整個(gè)結(jié)構(gòu)內(nèi)局部溫度升高，個(gè)別電池環(huán)境溫度升高，破壞的電池同一的環(huán)境。第三，由于電阻均衡會(huì)產(chǎn)生熱量，這使得均衡（下轉(zhuǎn)第85頁）（上接第81頁）電流收到限制。當(dāng)電池系統(tǒng)充電電流比較大，各電池一致性不好時(shí)，就需要更大的均衡電流。 電阻均衡一般只能做到100mA均衡電流以下。

圖3 電感均衡

2.電容均衡（見圖2）

電容均衡屬于主動(dòng)隔離式均衡。

該均衡是在每一個(gè)電池系統(tǒng)里放置一個(gè)電容，當(dāng)有一電池電壓比較高時(shí)，電池先放電給這個(gè)電容，然后再通過開關(guān)切換，把電容里的電充到電壓較低的電池里。

相對(duì)于電阻均衡，電容均衡效率要高的多，能量浪費(fèi)少，均衡速度會(huì)比較快，均衡電流也容易做大。但缺點(diǎn)也很明顯。開關(guān)切換控制比較復(fù)雜，而且開關(guān)閉合時(shí)由于電池的內(nèi)阻非常小，容易產(chǎn)生很高浪涌電流，這個(gè)浪涌電流超過電池的額定電流，影響電池的壽命。

3.電感均衡（見圖3）

這個(gè)電路實(shí)際上是Buck電路。當(dāng)某一電池電壓達(dá)到均衡值時(shí)（以第一節(jié)，N1，和第二節(jié)，N2，電池為例），當(dāng)N1電壓最高時(shí)，K1閉合時(shí)，L1儲(chǔ)能。K1斷開時(shí)，L1對(duì)N2充電，通過D1，電流回到L1中。這個(gè)電路的缺點(diǎn)就是能量要依次的轉(zhuǎn)移，當(dāng)N1的能量要轉(zhuǎn)到N4時(shí)，必須先轉(zhuǎn)給N2，N2轉(zhuǎn)給N3，N3再轉(zhuǎn)給N4?？偟男时容^低。

三、本文提出的均衡（變壓器均衡）

以上均衡的電池之間是沒有隔離的，當(dāng)開關(guān)元器件失效時(shí)，電池會(huì)出現(xiàn)短路，有很大的安全隱患。變壓器均衡由于隔離了充電電池和放電電池，可以較好的解決這個(gè)問題。通過對(duì)繞組的不同安排， 變壓器又可以分為以下幾種均衡。

1.一對(duì)一均衡（見圖4）

一對(duì)一均衡就是最高電壓的電池電量能夠直接轉(zhuǎn)移到最低電壓電池中去，均衡速度比較快。當(dāng)某一電芯電壓比較高時(shí)，就會(huì)通過開關(guān)閉合儲(chǔ)能，然后通過次級(jí)開關(guān)的選擇，把能量傳遞給電壓低的電池。均衡電流也可以做到幾個(gè)安培。但變壓器比較復(fù)雜， 在一個(gè)磁芯上繞制8個(gè)繞組，會(huì)帶來較大的漏感損耗，電磁兼容的效果也不好。而且初級(jí)繞組輸入電壓比較低，還需要額外的隔離驅(qū)動(dòng)。

2.一對(duì)一均衡（見圖5）

該方案副邊繞組只有一個(gè)，通過次級(jí)開關(guān)來選擇接受能量的電池，使用雙刀多擲的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)。但是每次只能給一個(gè)電池補(bǔ)充電量。當(dāng)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電池電壓較低時(shí)，該均衡 的速度就會(huì)比較慢。雖然減少了次級(jí)繞組，但對(duì)次級(jí)的開關(guān)可靠性有更高的要求。而且此電路還是有初級(jí)線圈的輸入電壓只有3-4V，開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓變壓器隔離驅(qū)動(dòng)，整體電路結(jié)構(gòu)還是比較復(fù)雜。

3.一對(duì)多均衡（見圖6）

該均衡電路給電壓最高電芯的放電，同時(shí)----給其它三個(gè)較低的充電。均衡效率高。相對(duì)于前面的變壓器均衡，該電路簡化了次級(jí)電路結(jié)構(gòu)，缺點(diǎn)是只能降低最高的電池電壓。當(dāng)出現(xiàn)3個(gè)電池電壓較高，一個(gè)電池電壓較低時(shí)，該均衡的速度就會(huì)比較慢。

4.多對(duì)一均衡（見圖7）

相對(duì)以上幾種變壓器均衡， 這種均衡硬件相對(duì)簡單。初級(jí)驅(qū)動(dòng)之需要一個(gè)繞組。不但減低的變壓器工藝的復(fù)雜性，而且因?yàn)椴捎盟墓?jié)電池串聯(lián)輸入，輸入電壓比較高，從而也解決了初級(jí)驅(qū)動(dòng)的問題。初級(jí)繞組會(huì)從每個(gè)電池中收集能量，然后通過控制開關(guān)2，3，4，5，來把能量傳遞給電壓較低的電芯。該電路初級(jí)結(jié)果簡單，次級(jí)每個(gè)電池對(duì)應(yīng)一個(gè)繞組，開關(guān)的損壞，不會(huì)使電池短路，整體安全可靠。兼顧了均衡效率高，電路結(jié)構(gòu)簡單，和安全性高的要求。

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