劉紅銳 張昭懷

鋰離子電池組充放電均衡器及均衡策略

劉紅銳1張昭懷2

（1. 昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 昆明 650000 2. 昆明理工大學(xué)城市學(xué)院 昆明 650051）

提出了一種基于Buck斬波電路和Boost-Buck斬波電路的鋰離子電池組充放電均衡器。根據(jù)電池組的兩種工作狀態(tài)，采取兩種不同的均衡策略：電池組處于充電狀態(tài)時(shí)，電池組中荷電狀態(tài)最高的強(qiáng)單體電池被均衡放電，強(qiáng)單體電池的充電電流減小，而同組中的其他單體電池不受影響；電池組處于放電或靜置狀態(tài)時(shí)，電池組中最弱的單體電池被均衡充電，而同組中的其他單體電池不受影響。均衡器具有均衡電路控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，被均衡的單體電池任意可選、均衡能量可雙向傳輸、均衡電流易控等優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)闡述了兩種均衡控制策略的工作原理，并采用此均衡器對(duì)串聯(lián)的四個(gè)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行了充放電均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此均衡器不僅改善了單體電池間不均衡程度，同時(shí)提高了電池組的充電容量和放電容量。

Buck斬波電路 Boost-Buck斬波電路 均衡器 均衡策略 荷電狀態(tài) 磷酸鐵鋰電池 充電容量 放電容量

1 引言

由于鋰離子單體電池的標(biāo)稱電壓比較低，在3.6V左右，因此需將多個(gè)這樣的單體電池串聯(lián)使用來滿足不同的電壓需求[1-4]。對(duì)單體鋰離子來電說，過充電或過放電會(huì)導(dǎo)致容量降低，影響其使用壽命，甚至直接使電池?fù)p壞或引發(fā)爆炸等[5-7]。在使用過程中串聯(lián)的各單體電池之間荷電狀態(tài)或端電壓不一致的情況普遍存在，如圖1所示串聯(lián)的四個(gè)單體電池，充電過程中只要有一個(gè)單體電池被充滿或達(dá)到充電截止電壓時(shí)則充電必須停止；而在放電過程中只要有一個(gè)電池被放空或達(dá)到放電截止電壓時(shí)則必須停止放電。如果不采取均衡措施，串聯(lián)單體電池間的不均衡程度會(huì)隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加而加劇，電池組的充放電容量也會(huì)逐漸降低，最終使電池組提前報(bào)廢，因此需采取有效的均衡措施延長(zhǎng)電池組的使用壽命，提高電池組的充放電容量。

圖1 串聯(lián)電池充放電示意圖Fig.1 Charging and discharging diagram of the serially connected battery cells

2 均衡策略

根據(jù)均衡電路所選用的儲(chǔ)能或耗能元件的不同，串聯(lián)蓄電池均衡器主要分為開關(guān)電阻分流均衡器、電容均衡器、電感均衡器、LC振蕩電路均衡器和反激式變壓器均衡器。電阻均衡器[8]利用電阻耗能發(fā)熱均衡，均衡電流很小，最大為幾百毫安，而且需要為電阻提供專門的散熱裝置。電容均衡器[9,10]是通過單體電池的電壓差進(jìn)行均衡，由于單體電池間的電壓差很小，串聯(lián)鋰離子單體電池間的電壓差最大為幾百毫伏，再加上開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降，因此均衡能量很難轉(zhuǎn)移，甚至無法轉(zhuǎn)移。電感均衡器[11-12]是以電感中電流的變化進(jìn)行能量均衡的，均衡電流的可控性強(qiáng)。LC振蕩電路均衡器[13]，通過LC振蕩電路提高了電容電壓，從而彌補(bǔ)了單獨(dú)以電容為儲(chǔ)能元件的均衡方案能量轉(zhuǎn)移困難的缺陷。反激式變壓器均衡[5-6,14]的缺點(diǎn)是變壓器體積大、重量重，除了開關(guān)損耗，還要考慮變壓器損耗，同時(shí)反激均衡電流的可控性差。

根據(jù)被均衡的單體電池和均衡能量流向的不同，均衡策略可分為以下幾種：

（1）對(duì)電池組中端電壓或荷電狀態(tài)最高的單體電池均衡放電，能量被電阻消耗掉[8]或者返回電池組[14]。這種均衡策略只能用在電池充電過程中，且均衡能量是單向的，即只能由被均衡的單體電池放出。

（2）在電池充放電過程中，均衡能量只能在相鄰單體電池間轉(zhuǎn)移的均衡策略[9,11,15]。這種能量迂回的均衡策略對(duì)不需要均衡的單體電池也進(jìn)行多次充放電，一方面影響電池的使用壽命，另一方面均衡速度低，開關(guān)損耗大。

（3）在電池充放電過程中，能量由電池組中端電壓或荷電狀態(tài)最高的單體電池向最低的單體電池轉(zhuǎn)移的均衡策略[13]。在均衡時(shí)，強(qiáng)電池的放電開關(guān)和弱電池的充電開關(guān)要不斷切換，均衡損耗較大，開關(guān)控制較復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。

（4）在電池放電過程中，對(duì)電池組中端電壓或荷電狀態(tài)最低的單體電池均衡充電的均衡策略[12]，這種均衡策略的均衡能量是單向的。

（5）文獻(xiàn)[5]采用的均衡策略為：電池放電時(shí)，均衡能量通過變壓器由電池組向組內(nèi)端電壓最低的單體電池轉(zhuǎn)移；電池充電時(shí)，均衡能量由電池組中端電壓最高的單體電池通過變壓器向電池組轉(zhuǎn)移。此均衡策略的被均衡的單體電池可選、均衡能量是雙向的。

綜上所述，從均衡電流的可控性分析，采用電感作為儲(chǔ)能元件的均衡方案，其均衡電流的可控性強(qiáng)；從均衡策略來看，比較理想的均衡策略是第 5種，其被均衡的單體電池靈活可選、且均衡能量雙向。但第5種均衡策略，均衡時(shí)除了被均衡的單體電池，同組中的其他電池均受影響，且完成一次能量轉(zhuǎn)換時(shí)，被均衡的單體電池的電流前后變化比較大，影響電池的使用壽命。

本文提出的均衡器是以電感為儲(chǔ)能元件，均衡策略如圖2所示，它不同于上述第5種均衡策略。在電池充電時(shí)，對(duì)電池組中端電壓或荷電狀態(tài)最高的強(qiáng)單體電池均衡放電，均衡能量由此強(qiáng)單體電池向均衡器轉(zhuǎn)移，均衡過程中此強(qiáng)單體電池的充電電流減小，而同組中的其他所有單體電池不受影響，即其充電電流不變；在電池放電時(shí)，對(duì)電池組中最弱的單體電池均衡充電，均衡能量由均衡器向此弱單體電池轉(zhuǎn)移，均衡過程中此弱單體電池的放電電流減小，而同組中的其他所有單體電池不受影響；在電池靜置時(shí)，可以采用上述兩種均衡策略，但為了增加電池組的儲(chǔ)能，可以選用電池放電時(shí)采用的均衡策略，因此只有電池組中最弱的單體電池被均衡充電，而同組中其他電池的電流均為零。本文提出的均衡器具有以下優(yōu)點(diǎn)：①省去了變壓器，但同時(shí)具有被均衡單體電池的可選性和均衡能量的雙向性；②均衡電流可控，且易控，即只需調(diào)節(jié)開關(guān) PWM的占空比，就可控制均衡電流的大??；③均衡時(shí)只需對(duì)一個(gè)開關(guān)進(jìn)行PWM控制，其他相關(guān)開關(guān)只需導(dǎo)通即可，因此開關(guān)損耗低，均衡器控制簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)。

圖2 均衡策略Fig.2 Balancing strategies

3 均衡器結(jié)構(gòu)和工作原理

3.1 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3為一個(gè)包含n個(gè)串聯(lián)單體電池的電池組均衡模塊，應(yīng)用時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況選擇單體電池的數(shù)目。均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖中虛線框所示，它由一個(gè)橋式開關(guān)矩陣（A組和B組）、電感L、兩個(gè)續(xù)流二極管 VD1和 VD2、電壓源 E以及控制電源 E通斷的電源開關(guān)M組成。由于電池采用分組均衡，因此可以選用小功率的開關(guān)器件，而小功率的電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管 MOSFET飽和導(dǎo)通電阻一般在 mΩ級(jí)，且驅(qū)動(dòng)功率小，因此選用小功率的 MOS管作為電源開關(guān)M及A、B兩組開關(guān)器件。由于 MOS管寄生二極管的存在，為了防止電池短路，需串聯(lián)二極管使用。根據(jù)實(shí)際情況選擇合適容量和電壓的同類型電池的串聯(lián)作為電壓源E。

圖3 均衡電路拓?fù)銯ig.3 Balancing circuit topology

3.2 均衡放電控制策略及工作原理

在電池組充電過程中，對(duì)組內(nèi)的SOC值最高的單體電池均衡放電，其均衡能量向均衡器轉(zhuǎn)移，換句話說，在電池充電過程中通過減小高能量單體電池的充電電流的方法來提高整個(gè)電池組的充電容量。具體的控制過程和工作原理為：

假設(shè)圖4中電池Cell1的SOC值最大，當(dāng)電池Cell1的放電開關(guān)B1和A2導(dǎo)通時(shí)，Cell1通過回路①向電感 L貯能；當(dāng) Cell1的放電開關(guān)斷開后，均衡器通過回路②將電感中的能量存儲(chǔ)起來。為了降低開關(guān)損耗和簡(jiǎn)化開關(guān)控制，均衡時(shí)對(duì)處于下橋臂的開關(guān)B1進(jìn)行PWM控制，而使上橋臂開關(guān)A2一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。均衡電路為典型的Boost-Buck斬波電路[16]，如圖 4b所示，其中 U為單體電池電壓，均衡電路有兩種工作模式：電流連續(xù)模式和電流斷續(xù)模式；開關(guān)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和均衡電流波形如圖 4c所示，通過調(diào)節(jié)占空比就可調(diào)節(jié)均衡電流的大小，即一個(gè)周期中轉(zhuǎn)移的均衡能量的大小。

圖4 均衡放電工作和控制原理Fig.4 Balancing working principle

3.3 均衡充電控制策略及工作原理

在電池組放電或靜置過程中，對(duì)組內(nèi)SOC值最低的單體電池均衡充電，其均衡能量來自均衡器。即在電池放電過程中通過減小低能量單體電池的放電電流來提高整個(gè)電池組的放電容量；而靜置時(shí)對(duì)弱電池單獨(dú)進(jìn)行能量補(bǔ)充，提高整個(gè)電池組的儲(chǔ)能。均衡電路為典型的 Buck斬波電路[16]，具體的控制過程和工作原理為：

假設(shè)圖5中電池Cell2的SOC值最小，均衡時(shí)需要使Cell2的充電開關(guān)A2和B3一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，而對(duì)電源開關(guān)M進(jìn)行PWM控制，當(dāng)M導(dǎo)通時(shí)均衡器通過回路①向電感和電池Cell2釋放能量，當(dāng)M斷開后電感中的能量經(jīng)回路②向Cell2轉(zhuǎn)移。如圖5b所示，均衡電路為典型的Buck斬波電路。如圖5c所示，均衡過程中Cell2的充電開關(guān)A2和B3一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，只需對(duì)開關(guān)M進(jìn)行PWM控制，其均衡電流如圖中所示，通過調(diào)節(jié)占空比即可實(shí)現(xiàn)均衡電流可控可調(diào)。

圖5 均衡充電工作和控制原理Fig.5 Balancing working principle

3.4 均衡器及均衡策略的特點(diǎn)

一個(gè)包含n個(gè)單體電池的均衡模塊，其單體電池分別為 Cell1、Cell2、Cell3，…Cellx，…Celln，其均衡模塊有以下特點(diǎn)：

（1）橋矩陣電路包含的開關(guān)數(shù)目為2(n+1)。

（2）電池充電時(shí)，電池組中最強(qiáng)的的強(qiáng)單體電池向均衡器放電，假設(shè)電池 Cellx是最強(qiáng)的單體電池，此時(shí)只需對(duì) Cellx的兩放電開關(guān) Bx和 A(x+1)進(jìn)行控制，使其上橋臂開關(guān)A(x+1)一直導(dǎo)通，而對(duì)下橋臂開關(guān)Bx進(jìn)行PWM控制就可實(shí)現(xiàn)能量由強(qiáng)電池Cellx向均衡器轉(zhuǎn)移。

（3）電池放電或靜置時(shí)，均衡器對(duì)電池組中的弱單體電池充電，假設(shè)電池 Cellx是最弱的單體電池，只需控制 Cellx的兩充電開關(guān) Ax和 B(x+1)一直導(dǎo)通，而對(duì)電源開關(guān)M進(jìn)行PWM控制就可實(shí)現(xiàn)能量由均衡器向弱電池電 Cellx轉(zhuǎn)移。

4 均衡實(shí)驗(yàn)

4.1 電池管理系統(tǒng)簡(jiǎn)述

電池管理系統(tǒng)包括單體電池參數(shù)檢測(cè)、均衡管理、熱管理、數(shù)據(jù)處理及通信等功能。均衡系統(tǒng)是一個(gè)完整的電池管理系統(tǒng)不可或缺的重要部分，如圖6所示的電池管理系統(tǒng)，將電池進(jìn)行分組管理和均衡。每組都包含一個(gè)主控器實(shí)現(xiàn)參數(shù)檢測(cè)和處理，然后根據(jù)各單體電池的 SOC值驅(qū)動(dòng)均衡模塊中相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作。因此準(zhǔn)確的估算SOC是確保均衡實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行的前提條件。

圖6 電池管理系統(tǒng)Fig.6 Battery management system

4.2 磷酸鐵鋰單體電池E-SOC曲線提取

本文采用電動(dòng)勢(shì)法和安時(shí)法相結(jié)合的方法估算SOC值，而電動(dòng)勢(shì)法需要提取單體電池的 E-SOC曲線。采用μc-KGCFS微電腦電池化成充放電電源對(duì)額定容量為60A·h、額定電壓為3.2V的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行E-SOC曲線提取實(shí)驗(yàn)。如圖7所示，首先提取磷酸鐵鋰電池的充電SOC曲線和放電SOC曲線，然后取兩者的平均值即為 E-SOC曲線。將測(cè)得的E-SOC曲線存儲(chǔ)在EEPROM中，供控制器隨時(shí)讀取，以修正SOC的初始值。

圖7 磷酸鐵鋰單體電池E-SOC曲線Fig.7 E-SOC curve of LiFepo4 battery cell

4.3 均衡實(shí)驗(yàn)

4.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及均衡器電路器件說明

實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖8所示，位于圖片下半部的為鋰離子電池柜，里面包含一百個(gè)串聯(lián)的磷酸鐵鋰單體電池和電池管理系統(tǒng)，單體電池的額定容量為60A·h、額定電壓為3.2V。選擇其中的四個(gè)單體電池完成均衡實(shí)驗(yàn)，其初始SOC值分別為39.5%、30%、30%和 20%。位于圖片右上方的柜子為 μc-KGCFS微電腦電池化成充放電電源，其直流輸出電壓 0～350V連續(xù)可調(diào)，直流輸出電流0～500A連續(xù)可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的恒流充電、恒壓限流充電、恒流限壓放電、靜置等。用 3個(gè)額定容量為 20A·h、額定電壓為 3.2V的磷酸鐵鋰電池的串聯(lián)作為均衡器中的電源 E，其每個(gè)單體電池的初始 SOC值均為60%。

實(shí)驗(yàn)中所用的均衡器是根據(jù)6個(gè)鋰離子單體電池設(shè)計(jì)的，為了降低均衡電路的損耗而選用小功率的開關(guān)器件，其具體選型為：A組開關(guān)選用P溝道MOS管SPD50P03L，其額定電壓和電流分別為30V和50A，最大漏源電阻值為12.5mΩ；B組開關(guān)和M選用N溝道MOS管IPD135N03L，其額定電壓和電流分別為30V和30A，最大漏源電阻值為13.5mΩ；均衡模塊中的串聯(lián)二極管和兩個(gè)續(xù)流二極管選用肖特基二極管42CTQ030，其額定電壓和電流分別為30V和40A，導(dǎo)通壓降的最大值為0.38V。

圖8 系統(tǒng)實(shí)物照片F(xiàn)ig.8 System photo

4.3.2 充電均衡實(shí)驗(yàn)

由μc-KGCFS電源提供10A的電流對(duì)四個(gè)串聯(lián)電池進(jìn)行充電，當(dāng)電池組的 SOC升到 80%時(shí)停止充電。均衡過程中各單體電池的SOC曲線如圖9所示，充電時(shí)間為 181min，充電結(jié)束后各單體電池的 SOC值分別為80%、79%、79%和69.5%。電源E的SOC曲線如圖 10所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)其每個(gè)單體電池的SOC值為64.5%。

圖9 電池充電過程中的SOC曲線Fig.9 SOC curves in battery charging

圖10 電源E的SOC曲線Fig.10 SOC curve of the power E

4.3.3 放電實(shí)驗(yàn)

由 μc-KGCFS電源提供 10A的電流對(duì)四個(gè)串聯(lián)電池進(jìn)行放電，當(dāng)電池組的 SOC值降到 20%時(shí)停止放電實(shí)驗(yàn)。均衡過程中各單體電池的SOC曲線如圖11所示，放電時(shí)間為 210min，放電結(jié)束后各單體電池的 SOC值分別為 21%、20.5%、20.5%和20%。電源E的SOC曲線如圖12所示，實(shí)驗(yàn)前的SOC值為64.5，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)每個(gè)單體電池的SOC值為52%。

圖11 電池放電過程中SOC曲線Fig.11 SOC curves in battery discharging

圖12 電源E的SOC曲線Fig.12 SOC curve of the power E

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

四個(gè)單體電池的初始 SOC值分別為 39.5%、30%、30%和 20%，如果在充電過程中不采取均衡措施，那么當(dāng)電池組的SOC值上升到80%時(shí)各單體電池的 SOC值將分別為 80%、70.5%、70.5%和60.5%，但如圖 9所示，由于在充電過程中對(duì) 1號(hào)電池采取均衡放電，因此它的SOC曲線的上升速度下降，因此充電截止時(shí)間后延，充電結(jié)束時(shí)各單體電池的SOC值分別為80%、79.5%、79.5%和69.5%，顯然采取均衡后整個(gè)電池組的充電容量顯著提高。同樣的道理，通過圖11的放電SOC曲線，可得出由于放電過程中采取對(duì)電池組中的4號(hào)弱電池進(jìn)行充電的均衡策略使整個(gè)電池組的放電容量顯著提高。四個(gè)串聯(lián)磷酸鐵鋰電池經(jīng)過一個(gè)充放電循環(huán)均衡實(shí)驗(yàn)后各單體電池的SOC值分別為21%、20.5%、20.5%和20%，因此各SOC值已基本一致。

在充電實(shí)驗(yàn)中，均衡能量由 1號(hào)電池向電源E轉(zhuǎn)移，利用1號(hào)電池和2號(hào)電池在充電實(shí)驗(yàn)前后的SOC差值的變化可計(jì)算出1號(hào)電池放出的安時(shí)容量為5.1A·h，而通過圖10的SOC曲線可算出電源E吸收的安時(shí)容量為2.7A·h，從而可計(jì)算電池充電過程中均衡能量轉(zhuǎn)移效率為53%。而在放電實(shí)驗(yàn)中，均衡能量由電源E向4號(hào)電池轉(zhuǎn)移，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可計(jì)算出電池放電過程中均衡能量轉(zhuǎn)移效率為68%。通過計(jì)算可知均衡能量轉(zhuǎn)移效率比較高，均衡器的損耗主要是 MOS管和二極管的損耗，可以采用軟開關(guān)技術(shù)使均衡能量轉(zhuǎn)移效率進(jìn)一步提高。

5 結(jié)論

均衡器以電感為儲(chǔ)能元件，電池充電時(shí)采取對(duì)電池組中的強(qiáng)單體電池放電的均衡策略，而電池放電和靜置時(shí)采取對(duì)電池組中弱單體電池充電的均衡策略。均衡電流可控、均衡能量轉(zhuǎn)移效率高，且均衡電路控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)四個(gè)串聯(lián)的磷酸鐵鋰電池的充放電均衡實(shí)驗(yàn)，證明了此均衡器提高了整個(gè)電池組的充電容量和放電容量。在實(shí)際使用中，為了降低開關(guān)損耗而選擇額定電壓和額定電流比較低的開關(guān)器件，因此電池組中串聯(lián)的單體電池不能太多。由于每個(gè)均衡器中的電源E是由額外的單體蓄電池串聯(lián)組成，需要為這些單體電池提供管理，在實(shí)際使用中可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)中均衡器的數(shù)目，將所有均衡器中的蓄電池進(jìn)行分組管理。本均衡器可以用于電動(dòng)汽車鋰離子電池的均衡管理和風(fēng)光蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等的均衡管理中。

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The Equalizer of Charging and Discharging and the Balancing Strategies for Lithium-Ion Battery Pack

Liu Hongrui Zhang Zhaohuai

（Kunming University of Science and Technology Kunming 650000 China）

The charging and discharging equalizer based on the buck and boost-buck chopper circuits for lithium-ion battery pack is suggested in this paper. Two different balancing strategies are used respectively according to the different battery states. The strongest battery cell with the highest state of charge(SOC) is discharged by the equalizer in the battery charging state, its charging current is lower and the rest cells of the same pack are not affected. The weakest battery cell is charged by the equalizer in the battery discharging or static state, and the rest cells are n ot affected. The advantages of the equalizer are as follows: 1. it is simple to control the balancing circuit and easy to be realized; 2. the balanced battery cell is selectable and the balancing energy is bidirectional; 3. the balancing current is controllable. The working principle of the two balancing strategies has been described in this paper. The balancing experiment has been completed to four serially connected LiFePO4 battery cells, and the experimental results confirm that the unbalanced degree of the four battery cells has been improved, moreover the charging and discharging capacity of the battery pack have been increased.

Buck chopper circuit, boost-buck chopper circuit, equalizer, balancing strategy, SOC, LiFePO4, charging capacity, discharging capacity

TM911

劉紅銳 女，1982年生，博士研究生，研究方向電力電子與電力傳動(dòng)，蓄電池管理系統(tǒng)。

云南省基金（KKSY201404106）資助項(xiàng)目。

2013-10-30 改稿日期 2014-01-16

張昭懷 男，1982年生，碩士研究生，研究方向電力電子與電力傳動(dòng)。