吳峰

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山，528300）

電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組充放電均衡器及其均衡策略探究

吳峰

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山，528300）

電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展目標(biāo)是緩解全球能源枯竭的壓力，其中動(dòng)力源是電池組。通過(guò)對(duì)電池組有關(guān)技術(shù)的分析，從均衡器電路圖入手，著重探究了電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組充放電均衡策略，以及均衡器應(yīng)用該策略時(shí)的工作原理和特點(diǎn)。研究表明：均衡器電路開(kāi)關(guān)數(shù)目m和單體電池個(gè)數(shù)n之間滿足m=2(n+1)的關(guān)系；在電池充電過(guò)程中，電池組中能量最強(qiáng)的單體電池向均衡器放電；在電池放電或靜置過(guò)程中，均衡器對(duì)電池組中能量最弱的單體電池充電。以上機(jī)理可對(duì)所有鋰離子電池組的研發(fā)提供具體指導(dǎo)。

鋰離子電池組；充放電；均衡器；均衡策略

引言

電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組的充放電狀態(tài)各自采取不同的均衡策略，且各具特色[1-5]。對(duì)均衡策略的深入分析有助于促進(jìn)鋰離子電池組研發(fā)企業(yè)的發(fā)展，使鋰離子電池在各電器中具有更加良好的使用體驗(yàn)，服務(wù)于民。下面就圍繞這兩種均衡策略進(jìn)行論述。

1 均衡器拓?fù)潆娐芳熬獠呗?/h2>

1.1 均衡器拓?fù)潆娐?/p>

均衡器拓?fù)潆娐啡鐖D1所示?？梢钥闯觯娐酚葾組開(kāi)關(guān)、B組開(kāi)關(guān)、電感器L、功率開(kāi)關(guān)M、電壓源E和續(xù)流二級(jí)股D組成。其中A組開(kāi)關(guān)、B組開(kāi)關(guān)和功率開(kāi)關(guān)M都是金屬—氧化物—半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），電壓源E是外部蓄電池。為防止電池出現(xiàn)短路現(xiàn)象影響正常使用，在A組開(kāi)關(guān)和B組開(kāi)關(guān)上均串聯(lián)了二極管。均衡器拓?fù)潆娐吩谑褂眠^(guò)程中，根據(jù)電池?cái)?shù)目和電流大小選擇金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MOS）開(kāi)關(guān)，并且為了降低開(kāi)關(guān)能量的損耗，通常選擇電阻比較小的MOS開(kāi)關(guān)進(jìn)行管理。在二極管的選擇方面，盡量選擇電阻比較小的肖特基二極管。

圖1 均衡器拓?fù)潆娐穲D

1.2 均衡策略

如果在均衡電路中使用的儲(chǔ)能元件和耗能元件都不同，那么組成均衡器的是開(kāi)關(guān)電阻元件和電感元件。開(kāi)關(guān)電阻元件中均衡電流非常小，大約在100～200 mA之間，并且在電阻器上安裝散熱裝置；而電感元件則是通過(guò)在電感器中產(chǎn)生的電流變化均衡電池組中的電流，均衡電流具有很強(qiáng)的可控性，在應(yīng)用過(guò)程中，隨著電池組單體電池電能流向的不同，均衡策略通常可分為以下幾種：

第一種，電池在充電過(guò)程中，荷電狀態(tài)中能量最高（即SOC值最高）的單體電池處于均衡放電的狀態(tài)，其中產(chǎn)生的電能有兩種去向，一是被電阻消耗掉，二是返回到電池中，這就使得這類(lèi)均衡策略屬于單相傳遞，在這一過(guò)程中只能通過(guò)單體電池的放電供整個(gè)電路消耗；

第二種，也是在電池充電過(guò)程中，電池組中的能量只在相鄰的電池中傳遞，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池進(jìn)行多次充電。這種均衡策略的局限性是大大降低了電池的使用壽命，同時(shí)電路的消耗也較大；

第三種，電池在放電過(guò)程中，對(duì)電池組中SOC值最低的單體電池進(jìn)行充電。和第一種充電過(guò)程有一定的相似性，也屬于一種單向均衡策略。

2 均衡器工作原理及特點(diǎn)

2.1 均衡放電控制策略和工作原理

如果電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組需要充電，此時(shí)電池組中能量最高的單體電池開(kāi)始放電，這些電能被轉(zhuǎn)移到均衡器中存儲(chǔ)起來(lái)，以便電池組電能耗盡時(shí)利用這些能量對(duì)電池組進(jìn)行充電，從而滿足持續(xù)供電的需要。具體工作原理和控制過(guò)程分別如圖2和圖3所示。

圖2 均衡放電工作原理圖

圖3 均衡放電控制原理圖

如圖2所示，若Cell1的SOC值最大，放電開(kāi)關(guān)A2和B1連通后，Cell1向電池組中充電。一旦A2閉合，均衡器通過(guò)回路②把電感中的能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，均衡時(shí)對(duì)B1進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM），保證A2始終處于通電狀態(tài)。

從圖3(a)可以看出，均衡電路屬于Buck斬波電路，其中U為該電池正常運(yùn)行時(shí)的電源。電池組在均衡策略中，均衡電路通常有兩種工作模式：一是電流連續(xù)模式，二是電流斷續(xù)模式。開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)信息號(hào)和均衡電流波形如圖3(b)所示，通過(guò)調(diào)節(jié)均衡器中的占空比，就可以調(diào)節(jié)均衡電流的大小。

2.2 均衡充電控制策略和工作原理

電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組在放電或靜置時(shí)，電池組中SOC值最低的單體電池受到充電，其能量主要來(lái)自于均衡器。也就是說(shuō)，電池組中SOC值最高的單體電池在放電過(guò)程中的能量，以均衡器為中介，供應(yīng)給SOC值最低的單體電池，使其充電。靜置時(shí)，能量弱的電池也單獨(dú)受到能量補(bǔ)充，從而提高整個(gè)電池組的儲(chǔ)能。在此均衡電路中應(yīng)用的也是Buck斬波電路。

2.3 均衡策略特點(diǎn)總結(jié)

每個(gè)電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組充放電均衡器包含了很多個(gè)單體電池的均衡模塊。通過(guò)章節(jié)2.1和2.2的論述，總結(jié)這些均衡模塊具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

首先，該電路中的開(kāi)關(guān)數(shù)目和單體電池有很大聯(lián)系，即

其中，m表示開(kāi)關(guān)數(shù)目，n表示單體電池個(gè)數(shù)；

其次，電池在充電過(guò)程中，電池組中能量最強(qiáng)的單體電池向均衡器放電；

最后，電池在放電或者靜置過(guò)程中，均衡器對(duì)電池組中能量最弱的單體電池進(jìn)行充電。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，電動(dòng)汽車(chē)鋰離子電池組充放電均衡策略，是以電感為儲(chǔ)能原件，充電時(shí)能量最強(qiáng)的單體電池放電為原則的。均衡電路可控性和能量轉(zhuǎn)換效率大大提高。在前人工作的基礎(chǔ)上，首先探究了均衡器拓?fù)潆娐芳熬獠呗?，其次分析了均衡器工作原理及特點(diǎn)，希望對(duì)所有鋰離子電池組研發(fā)機(jī)構(gòu)在充放電均衡策略上的研究有引領(lǐng)作用。

[1]王占國(guó), 文鋒, 盛大雙, 等. 新型充放電均衡一體化電池管理系統(tǒng)研究[J]. 電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào), 2012, 26(5): 431-436.

[2]李改有, 楊姜, 席光榮, 等. 一種混合動(dòng)力車(chē)載鋰電池管理系統(tǒng)[J]. 電子世界, 2016(1): 46-48.

[3]肖艷軍, 劉蕊, 宋海平, 等. 基于單片機(jī)的鋰電池管理系統(tǒng)研究與試驗(yàn)[J]. 控制工程, 2016, 23(7): 1001-1005.

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[5]68-74.劉紅銳, 李園專(zhuān), 陳仕龍,等. 鋰離子蓄電池組充放電均衡器及均衡策略[J]. 電子學(xué)報(bào), 2016, 44(8): 1981-1987.

Research on Charging and Discharging Equalizer and Equalization Strategy for Lithium Ion Battery in Electric Vehicles

WU Feng
(Shunde Polytechnic, Foshan, Guangdong,528300, China)

The launch of electric vehicles has largely eased the pressure on the world's energy depletion. Through abundant technical investigations, we start from the circuit diagram of equalizer, to focus on the analysis of charging and discharging equalization strategy for lithium ion battery in electric vehicle, for a further analysis on the principle and characteristics of the equalizer when applying such a strategy. Research shows that, the number of equalizer circuit switch m and the number of single battery n satisfy the relationship of m=2(n+1); in the battery charging process, discharge occurs from the single battery of strongest energy to the equalizer; in the battery discharging or standby process, charge occurs from the equalizer to the single battery of weakest energy. The above mechanisms can provide specific guidance for the research and development of all lithium ion batteries.

Lithium Ion Battery; Charge and Discharge; Equalizer; Equalization Strategy

TM910.6

A

2095-8412 (2016) 06-1188-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.036

吳峰(1984-)，男，漢族，廣東汕頭人，本科，實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向：汽車(chē)檢測(cè)與維修技術(shù)。