周寶林, 周全

（1. 大慶市交通運(yùn)輸局，黑龍江 大慶 163311；2. 上海鐵路局上海車(chē)輛段，上海 200040）

1 研究背景

蓄電池組是各種儲(chǔ)能、動(dòng)力電池的核心器件，成組初期就存在電壓、容量、內(nèi)阻、自放電率等微小差異。經(jīng)過(guò)若干次充放電循環(huán)后，加之電池間溫度的差異，初期的微小差異逐漸變大，最終造成電池的一致性變差，而且電壓和容量的差異表現(xiàn)最為明顯。由于電池衰減問(wèn)題的發(fā)生，電池在使用上的表現(xiàn)為充電時(shí)很快就充滿，放電時(shí)很快就放完，電池存不住電。如果沒(méi)有電池管理系統(tǒng)，衰減電池很容易發(fā)生熱失控故障，甚至事故，但電池管理系統(tǒng)對(duì)改善電池組一致性問(wèn)題的作用有限。電池均衡器，特別是轉(zhuǎn)移式電池均衡器的出現(xiàn)和應(yīng)用有效改善了這種狀況，但是普通轉(zhuǎn)移式電池均衡器的均衡電流和均衡效率受功率器件效率和散熱環(huán)境等的限制，最大均衡電流和均衡效率提高到一定程度時(shí)就很難再繼續(xù)提高，制約了這種電池均衡器性能的進(jìn)一步提升。

2 方案的提出

在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移式電池均衡器的設(shè)計(jì)上，通常采用低導(dǎo)通電阻的 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管和低導(dǎo)通壓降的肖特基二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)電量的轉(zhuǎn)移。以大電流肖特基二極管為例，在散熱良好的情況下，工作電流為 5 A 時(shí)的導(dǎo)通壓降約為 0.4～0.6 V，二極管的峰值功耗達(dá)2～3 W 左右，需要合適的散熱片才能保證二極管不因溫度過(guò)高而被燒毀。同時(shí)，二極管溫度的升高會(huì)使均衡器本身溫度升高，繼而會(huì)傳導(dǎo)到電池組，影響電池組的散熱，因此這種結(jié)構(gòu)不適合長(zhǎng)時(shí)間、連續(xù)大電流的均衡情況。如果將肖特基二極管更換為受控的低導(dǎo)通電阻的 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管，即同步整流技術(shù)，則不僅均衡電流可以大幅度提高，而且熱損耗很低，那么就顯著提高了均衡效率。但是，這種方案控制難度很大。并且，通常國(guó)外公司開(kāi)發(fā)的同步整流芯片都配備專用同步整流 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管。這無(wú)疑增加了很多成本，將均衡器的成本推高了很多。

3 雙向同步整流技術(shù)方案

在轉(zhuǎn)移式電池均衡器上，通常需要使用 2 只MOS 場(chǎng)效應(yīng)管和 2 個(gè)二極管相互作用，實(shí)現(xiàn)電池間的雙向均衡，而在前面所述的同步整流方案中，相當(dāng)于用 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管代替圖 1 中的二極管 D1和 D2，再通過(guò)同步整流芯片控制，因此控制難度增加，系統(tǒng)復(fù)雜性提高，可靠性降低。

本文的技術(shù)方案是：不增加 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管，利用原有的 2 只 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管 Q1 和 Q2 進(jìn)行功能自動(dòng)互換，實(shí)現(xiàn)同步整流功能[1]。新的換能結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

圖1 基本換能電路結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 同步整流換能電路結(jié)構(gòu)示意圖

采用這種結(jié)構(gòu)后，2 只場(chǎng)效應(yīng)管必須執(zhí)行嚴(yán)格的開(kāi)關(guān)規(guī)則，即 Q1 開(kāi)啟時(shí) Q2 必須關(guān)閉，Q2 開(kāi)啟時(shí) Q1 必須關(guān)閉，它們不能同時(shí)開(kāi)啟，并且這種開(kāi)啟和關(guān)閉必須在脈沖控制信號(hào)作用下執(zhí)行。具體的工作原理是：假設(shè)電池 B1 的電壓高于電池 B2 的電壓，則在脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的負(fù)半周期，Q1 導(dǎo)通，Q2 截止，電池 B1 的部分電量通過(guò) Q1 緩存到電感L 中，此時(shí)，電感 L 的作用是蓄電；在脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的正半周期，Q1 截止，Q2 導(dǎo)通，緩存在電感 L中的電量利用電感特性通過(guò) Q2 向電池 B2 充電，在連續(xù)脈沖的作用下，實(shí)現(xiàn)電池 B1 的部分電量轉(zhuǎn)移輸送到電池 B2 中。電池 B1 通過(guò)適當(dāng)?shù)姆烹?，電壓逐漸降低，電池 B2 通過(guò)適當(dāng)?shù)某潆?，電壓逐漸升高。當(dāng) 2 只電池的電壓相同時(shí)，Q1 驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)楦唠娖?，Q2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，Q1 和Q2均處于截止?fàn)顟B(tài)，停止執(zhí)行均衡動(dòng)作，系統(tǒng)進(jìn)入微功耗待機(jī)檢測(cè)狀態(tài)。

如果電池 B 2 的電壓高于電池 B1 的電壓，均衡過(guò)程與上述情況正好相反，不再贅述。在上述均衡過(guò)程中，換能電路中的開(kāi)關(guān)管 Q1 和 Q2，不僅執(zhí)行開(kāi)關(guān)管功能，而且兼顧執(zhí)行同步整流管功能。當(dāng)Q1 執(zhí)行開(kāi)關(guān)管功能時(shí)，Q2 執(zhí)行同步整流管功能；相反，當(dāng) Q2 執(zhí)行開(kāi)關(guān)管功能時(shí)，Q1 執(zhí)行同步整流管功能。這種執(zhí)行同步整流的方式是雙向的，自動(dòng)切換，故稱雙向同步整流。

4 雙向同步整流技術(shù)特點(diǎn)

4.1 壓差與均衡電流關(guān)系

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移式電池均衡器的均衡電流通常為固定值，即只有電壓或電壓差達(dá)到一定量值時(shí)才啟動(dòng)均衡，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比為固定值。這種設(shè)計(jì)能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)難度，但卻犧牲了有效均衡時(shí)間，導(dǎo)致均衡效率降低。

本文中所述相對(duì)電壓差控制均衡電流技術(shù)，加之雙向同步整流技術(shù)，可大幅度提高均衡電流，加快電池的均衡速度，明顯降低電池間的電壓差，對(duì)于控制“落后”電池的過(guò)充電和過(guò)放電，以及極端環(huán)境下的“熱失控”具有非常大的優(yōu)勢(shì)。這種電池均衡技術(shù)是通過(guò)均衡電壓實(shí)現(xiàn)快速 SOC 均衡[2]，可以將相鄰電池間的靜態(tài)電壓差控制在 ±2 mV 以內(nèi)。在設(shè)備的最大安全均衡電流下，設(shè)計(jì)樣機(jī)的均衡電流與相鄰電池的相對(duì)電壓差參考計(jì)算公式I=K·U，其中K是一個(gè)常量，約為 0.077 A/mV，U為相鄰電池的相對(duì)電壓差。公式表明，相鄰電池的相對(duì)電壓差越大，均衡電流就越大。例如，電壓差在 40 mV 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)均衡電流 3 A 左右。特別是，當(dāng)電池組進(jìn)入充電結(jié)束后的恢復(fù)期和短暫（或長(zhǎng)時(shí)間）放電后的恢復(fù)期時(shí)，這種低壓差、大均衡電流對(duì)于低電壓?jiǎn)误w電池，能更加快速地進(jìn)行均衡，防止衰減電池進(jìn)入極端狀態(tài)。當(dāng)均衡電流增大到設(shè)備的設(shè)計(jì)極限時(shí)將不再增大，均衡器進(jìn)入過(guò)熱限流自動(dòng)保護(hù)狀態(tài)。

4.2 驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比

由于均衡效率和散熱環(huán)境的限制，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)移式電池均衡器的 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管（以 NMOS 管為例）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比大多控制在 45 % 左右，限制了均衡電流的大小，降低了均衡速度，特別是在需要較高均衡電流的時(shí)候無(wú)法提供更大的均衡電流。

本文所述均衡器的占空比范圍很寬，N-MOS場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)正占空比通常位于 50 %～60 %之間，P-MOS 場(chǎng)效應(yīng)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)負(fù)占空比通常位于 50 %～60 % 之間，因而可以實(shí)現(xiàn)更大范圍的均衡電流。

4.3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

以 2 V 鉛酸蓄電池均衡器為例，結(jié)合圖 2 均衡示意圖，展示開(kāi)關(guān)管在不同均衡電流下的實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形、占空比情況（見(jiàn)圖 3）。通過(guò) 2 組不同均衡電流下的開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，能夠明顯地看到：⑴ 開(kāi)關(guān)管和同步整流管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)非常同步且相似，嚴(yán)格執(zhí)行一個(gè) MOS 場(chǎng)效應(yīng)管開(kāi)啟、另一個(gè) MOS 場(chǎng)效應(yīng)管關(guān)閉的動(dòng)作；⑵ 2 個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比隨著均衡電流的調(diào)整發(fā)生著明顯的變化。

4.4 輸出電流與輸入電流關(guān)系

圖3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

續(xù)圖3 驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形

這種電池均衡器工作時(shí)，從高電壓電池吸入電量，通過(guò)均衡器轉(zhuǎn)換輸出到低壓電池的兩端，在大電流均衡的情況下仍能實(shí)現(xiàn)較高的輸出/輸入比值。比值越大，表示均衡效率越高。由如表 1 所示數(shù)據(jù)可知，這種電池均衡器在均衡電流和均衡效率方面表現(xiàn)都很優(yōu)秀[3]。

表1 2 V 鉛酸蓄電池均衡器樣機(jī)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

從表 1 中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著均衡電流的不斷增大，輸出/輸入電流比逐漸減小。這主要是由于大均衡電流下器件和線路的損耗逐漸增大所引起的，如 MOS 場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通損耗、電感的直流電阻損耗、磁芯渦流損耗，以及連接線電阻損耗。這些損耗都不同程度的存在，并最終轉(zhuǎn)換為熱量損耗掉。

在鋰電池組均衡方面，這種均衡器的表現(xiàn)更加優(yōu)秀，特別是均衡效率更高，如在大于 5 A 均衡電流情況下，其均衡效率比 2 V 鉛酸蓄電池均衡器的約高 5 %～10 %（具體數(shù)據(jù)略）。

5 均衡實(shí)例及效果

采用 12 只串聯(lián) 2 V 100 Ah 鉛酸蓄電池組進(jìn)行充放電均衡實(shí)驗(yàn)，共計(jì)使用 11 個(gè)均衡器模塊。第1 階段，測(cè)量完每只電池的電壓后，先連接電池均衡器，再充電（充電初期采用 10 A 恒流充電，末期恒壓充電，充電限壓 12×2.4 V = 28.8 V）；第2 階段，電池組以 10 A 恒電流放電到終止電壓為12×1.8 V = 21.6 V。實(shí)測(cè)靜態(tài)電壓和充、放電結(jié)束后的電壓數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表 2。

表2 實(shí)驗(yàn)電池組電壓數(shù)據(jù) mV

充電期間，采用鉗形電流表間歇性實(shí)測(cè)最大均衡電流約 7 A，相應(yīng)單元均衡模塊的開(kāi)關(guān)管和電感僅有少量的溫升，幾乎可以忽略不計(jì)。無(wú)論是均衡充電結(jié)束，還是均衡放電結(jié)束，所有電池的電壓都表現(xiàn)出良好的一致性，容量最小的電池電壓表現(xiàn)穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)電壓快速上升和快速下降的情況，更沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電情況。最大電壓差的情況表現(xiàn)也非常好。初始狀態(tài)時(shí)最大電壓差達(dá)到了 78 mV，但均衡充電結(jié)束和放電均衡結(jié)束時(shí)的最大電壓差只有 5 mV 和 18 mV。這是因?yàn)?，這種電池均衡器的介入明顯改變了每只電池的工作電流。充電期間，容量最小的電池充電電流最小，低于平均充電電流，降低了其電壓上升速度；容量相對(duì)最大電池的充電電流則高于平均充電電流，提高了其電壓上升速度：實(shí)現(xiàn)了電壓的同步上升。放電期間，容量最小的電池放電電流最小，低于平均放電電流（不足部分由其它容量大的電池提供），降低了其電壓下降速度；容量相對(duì)最大的電池的放電電流則高于平均放電電流（多出部分提供給其他容量相對(duì)較小的電池，容量得到充分釋放和利用），加快了其電壓下降速度：實(shí)現(xiàn)電壓的同步下降。

6 結(jié)論

轉(zhuǎn)移式電池均衡器加入雙向同步整流技術(shù)后，最重要的 2 個(gè)指標(biāo)（均衡電流和均衡效率）得到大幅度提升，表現(xiàn)為均衡速度更快，大電流均衡時(shí)的設(shè)備溫升更低，衰減電池的溫升明顯下降，因此這種電池均衡器能有效預(yù)防大容量、大功率動(dòng)力電池組或（階梯利用）儲(chǔ)能電池組中衰減電池的過(guò)充電、過(guò)放電問(wèn)題和熱失控故障的發(fā)生，對(duì)保障電池組運(yùn)行穩(wěn)定和運(yùn)行安全具有重要意義。

[1] 周寶林, 周全. 一種具有同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器：201710799424.2 [P].

[2] 周寶林, 周全. 轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓與荷電量影響的研究[J]. 蓄電池, 2015(3)：123-125.

[3] 孫金磊, 逯仁貴, 魏國(guó), 等. 一種電動(dòng)汽車(chē)串聯(lián)電池組主動(dòng)均衡器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2013, 17(10)：33-38.