嚴(yán)利民，張婷婷

（ 上海大學(xué)，上海 200072 ）

0 引言

動(dòng)力鋰電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)工具、通訊設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、航空航天等多領(lǐng)域中，逐漸成為電池市場(chǎng)的主流產(chǎn)品。受電池自放電比率、制造工藝、外部環(huán)境等因素影響，單體鋰電池之間的差異普遍存在，鋰電池組在工作狀態(tài)時(shí)或受影響，特別是包含大批單體鋰電池的電池組?？紤]到“短板效應(yīng)”存在，需對(duì)單體鋰電池的狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量和收集，以保證其位于安全閾值內(nèi)，防止因單體失效繼而影響電池組的工作機(jī)能。鋰電池均衡電路常被用于電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）中，該系統(tǒng)功能主要涉及電池充放電管理、溫度檢測(cè)、電壓電流檢測(cè)和單體電池間的均衡。本文設(shè)計(jì)一種削峰填谷式的主動(dòng)均衡控制電路，結(jié)合并行填谷式均衡電路和削峰均衡電路優(yōu)勢(shì)，兩個(gè)電路模塊協(xié)同工作，互不沖突，經(jīng)仿真測(cè)試，均衡效果顯著。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 電池均衡技術(shù)

目前，電池組均衡策略主要為被動(dòng)型均衡和主動(dòng)型均衡兩種。被動(dòng)型均衡僅對(duì)電池組整體性均衡，無(wú)法有效地對(duì)單體鋰電池端電壓進(jìn)行調(diào)控。主動(dòng)型均衡通過(guò)對(duì)均衡電路的控制實(shí)現(xiàn)均衡過(guò)程的控制與優(yōu)化，自我調(diào)節(jié)能力強(qiáng)。

依據(jù)均衡能量的使用情形，分為能量耗散型和能量非耗散型兩種。能量耗散型的能量除用于電池組均衡之外，一部分以熱能形式消耗，該方式能量利用效率低。能量非耗散型的能量利用效率較高，但控制策略較復(fù)雜，因而是均衡拓?fù)浼夹g(shù)的重點(diǎn)研究對(duì)象和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

1.2 反激式變換均衡

正激式變換和反激式變換均為主動(dòng)均衡中的非能耗型均衡方法，因正激式變換均衡存在變壓器內(nèi)部漏感和互感以及二次繞組一致性較高等缺點(diǎn)，故本文電路設(shè)計(jì)選擇基于反激式變換均衡電路。圖1為反激式變換器電路拓?fù)?。電路由均衡斬波MOS管Q、整流二極管D、電容Cf和變壓器組成。開(kāi)關(guān)管Q由控制單元發(fā)出的PWM信號(hào)進(jìn)行控制，當(dāng)PWM信號(hào)有效時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始均衡。PWM信號(hào)一般是占空比為D的方波，當(dāng)PWM信號(hào)為高電平時(shí)，變壓器的原邊電感儲(chǔ)存能量，副邊二極管D1反向截止，副邊均衡電路不工作；當(dāng)PWM信號(hào)由高電平改為低電平時(shí)，變壓器副邊電感電壓瞬間反轉(zhuǎn)，D正向?qū)?，副邊均衡電路開(kāi)始工作，對(duì)電容Cf和電池B1進(jìn)行充電，只要斬波MOS管的柵極一直存在有效的PWM信號(hào)，鋰電池組就持續(xù)不斷地對(duì)B1進(jìn)行能量補(bǔ)充。

圖1 反激式變換器電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)占空比的大小，該電路可工作在不同模式下。當(dāng)占空比大于臨界閾值時(shí)，該均衡電路處于電流連續(xù)工作模式，即副邊電流的值不會(huì)下降至零；當(dāng)占空比小于臨界閾值時(shí)，該均衡電路處于電流斷續(xù)工作模式，即在副邊均衡電路工作時(shí)，在斬波MOS管再次導(dǎo)通之前，副邊均衡電流已降為零。斷續(xù)模式下，斬波MOS管漏極的尖峰電壓更小，變壓器響應(yīng)速度加快。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于反激式變換器的鋰電池組均衡電路，當(dāng)單體電池容量小于平均容量時(shí)，執(zhí)行充電均衡，反之執(zhí)行放電均衡。這種實(shí)現(xiàn)均衡的方法或可導(dǎo)致對(duì)低電量電池重復(fù)沖放，需進(jìn)行多次均衡才能達(dá)到所需效果，從而造成了能耗的浪費(fèi)和電池壽命縮短。

考慮現(xiàn)有均衡電路的不足之處，在反激式變換電路的基礎(chǔ)上加以優(yōu)化，可充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，以達(dá)到更好、更高效的均衡效果。

2 改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 多斬波MOS均衡電路

基于反激式變換均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作原理，首先設(shè)計(jì)一種多斬波MOS均衡電路，如圖2所示。每一節(jié)單體電池對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的均衡子電路模塊，拓?fù)浼軜?gòu)較大程度降低了電路工作故障率。

該電路模塊使用鋰電池組的能量為電量較低的單體鋰電池進(jìn)行充電均衡，各均衡模塊獨(dú)立并行運(yùn)作，系統(tǒng)可同時(shí)對(duì)多節(jié)單體電池進(jìn)行并行均衡，均衡效果顯著。n節(jié)單體電池就對(duì)應(yīng)n個(gè)斬波MOS管，系統(tǒng)上電復(fù)位后，MCU檢查采樣電池組狀態(tài)。假設(shè)B1電量最低，MCU通過(guò)發(fā)送PWM1信號(hào)，斬波管Q1開(kāi)始工作，對(duì)B1進(jìn)行均衡。此均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是每節(jié)電池都有自己的均衡電路，達(dá)到并行均衡目的。

被放置在原邊的MOS管需要更高的耐壓性，從而導(dǎo)致電路存在較大發(fā)熱量且設(shè)計(jì)成本上升，所以無(wú)法滿足實(shí)際需求，需進(jìn)一步優(yōu)化。

2.2 改進(jìn)的協(xié)同工作均衡電路

圖2 多斬波MOS均衡電路

以上設(shè)計(jì)的多斬波MOS均衡電路支持同時(shí)對(duì)多節(jié)單體電池進(jìn)行均衡，均衡的能量來(lái)源于整個(gè)電池組，即并行填谷式均衡。該均衡策略不足之處：電路僅可實(shí)現(xiàn)對(duì)較低電壓?jiǎn)误w鋰電池的上拉，對(duì)電壓較高的單體鋰電池的下拉則不理想。為改善這一現(xiàn)象，考慮到并行填谷式均衡是電池組——單體電池模式，從能量轉(zhuǎn)換的角度，在優(yōu)化過(guò)程中為電路設(shè)計(jì)了另一模塊——削峰均衡電路模塊，該模塊是單體電池——單體電池模式。模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示，B2是電池中電壓最高的，Bn是電池中電壓最低的。工作時(shí)，采樣得到的電壓信息，經(jīng)SELn信號(hào)選通Qna、Qnb，對(duì)電容充電。充電完成后，Qna、Qnb關(guān)斷，經(jīng)SEL2信號(hào)選通Q2a、Q2b，充電電容Ccharge開(kāi)始對(duì)B2執(zhí)行均衡，關(guān)斷Q2a、Q2b之后，即可實(shí)現(xiàn)削峰均衡。最終設(shè)計(jì)的削峰填谷均衡電路有效結(jié)合了兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，電路模塊完美兼容，協(xié)同工作，顯著提升了均衡效果。

3 實(shí)驗(yàn)分析

針對(duì)所設(shè)計(jì)的削峰填谷式均衡電路就初始狀態(tài)不相同的鋰電池組分別進(jìn)行了充、放電均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。均衡充電的充電電流設(shè)置為3 A，充電截止電壓閾值為4.2 V，充電均衡電池組電壓曲線如圖4(a)所示。均衡放電的放電電流設(shè)置為4 A，截止電壓閾值為2.7 V，放電均衡電池組電壓曲線如圖4(b)所示。

圖3 削峰填谷均衡電路

圖4 削峰填谷充放電均衡實(shí)驗(yàn)波形

表1為實(shí)驗(yàn)開(kāi)始和結(jié)束電壓數(shù)據(jù)記錄。對(duì)于充電均衡實(shí)驗(yàn)，電池組充電初始狀態(tài)電壓極差為536 mV，充電結(jié)束后電壓極差為9 mV，均衡耗時(shí)30 min。對(duì)于放電均衡實(shí)驗(yàn)，電壓極差從開(kāi)始的117.2 mV均衡至9.6 mV，均衡時(shí)間約為98 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用削峰填谷式均衡電路能夠有效地完成電池組均衡，且電池能量基本得到釋放，電池利用率獲得較大提升，有效延長(zhǎng)電池組工作時(shí)間。

表1 充放電均衡前后電壓記錄

4 結(jié)語(yǔ)

為有效均衡高電量的單鋰體電池，解決鋰電池組存在的不一致性問(wèn)題，設(shè)計(jì)的一種削峰填谷式鋰電池組主動(dòng)均衡電路，經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該電路均衡效果好且有效提升均衡效率。