電池組均衡充電電路的思考

針對(duì)電池組均衡充電電路拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了許多種不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由均衡過(guò)程中電路對(duì)能量的消耗情況，可將電池組均衡充電電路分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。

1、能量耗散型均衡
能量耗散型均衡是通過(guò)在電池組中各單體電池兩端分別并聯(lián)分流電阻進(jìn)行放電，從而實(shí)現(xiàn)均衡。分流電阻放電均衡電路是最為直接的均衡技術(shù)，該技術(shù)是通過(guò)分流電阻對(duì)容量高的單體電池進(jìn)行放電，直至所有單體電池容量在同一水平。
如圖2.1所示，可并聯(lián)的分流電阻分為兩類。

圖2.1（a）稱之為固定電阻放電均衡，并聯(lián)在單體磷酸鋰鐵電池兩端的分流電阻將持續(xù)對(duì)單體電池進(jìn)行放電，放電電阻Ri=1，2，.…，n）的大小可根據(jù)當(dāng)前單體電池的狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。該方法只適用于鉛酸電池、鎳氫電池，原因在于這兩種電池在過(guò)充時(shí)不會(huì)損壞單體電池]。這種電路簡(jiǎn)單、成本低，缺點(diǎn)在于無(wú)論電池是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，分流電阻會(huì)一直將單體電池能量以熱量的形式消耗掉。一般適用于能量充足、對(duì)可靠性要求高的場(chǎng)合，如衛(wèi)星電源等。

圖2.1（b）稱之為開(kāi)關(guān)電阻放電均衡，在此充電過(guò)程中，通過(guò)并聯(lián)在單體電池兩端的均衡開(kāi)關(guān)S（i=1，2，n）和分流電阻R（i=1，2，n）實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電流的調(diào)節(jié)，均衡電流通過(guò)控制均衡開(kāi)關(guān)的占空比或開(kāi)關(guān)周期來(lái)實(shí)現(xiàn)?；谠撍枷階tmel公司推出了用ATA6870集成鋰電池管理芯片構(gòu)成的開(kāi)關(guān)電阻放電式容量均衡管理方案，如圖2.2所示。ATA6870是一款針對(duì)純電動(dòng)汽車（混合動(dòng)力汽車）用鋰離子電池測(cè)量、監(jiān)控的電池管理芯片，一塊芯片可支持對(duì)6節(jié)單體電池電壓、溫度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池組進(jìn)行充電時(shí)，并聯(lián)在單體電池兩端的開(kāi)關(guān)管S由控制芯片ATA6870輸出的6路脈寬調(diào)制信號(hào)來(lái)控制，調(diào)制信號(hào)的占空比由控制電路根據(jù)相應(yīng)的均衡充電控制策略來(lái)進(jìn)行調(diào)整，因而能實(shí)現(xiàn)對(duì)單體電池充電電流的獨(dú)立調(diào)節(jié)。相比固定電阻放電均衡電路，該電路更有效、可靠性更高，且能適用于鋰離子電池。該方法的缺點(diǎn)是在大容量電池組均衡中存在較嚴(yán)重的散熱問(wèn)題，對(duì)鋰離子電池性能影響較大，為此對(duì)熱管理要求很高。

上述兩種能量耗散型電路的缺點(diǎn)在于都存在將電池組能量以熱量的形式損耗掉，如果應(yīng)用于電池組放電時(shí)均衡，將縮短電池組的使用里程。因此，上述電路適用于小功率電池組的充電均衡，且電池組的放電電流低于10mA/Ah。

2、能量非耗散型均衡

相對(duì)于能量耗散式均衡，能量非耗散式均衡電路能耗更小，但相對(duì)電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。按能量變換方式，可分為能量轉(zhuǎn)移式均衡和能量轉(zhuǎn)換式均衡。

①能量轉(zhuǎn)移式均衡

通過(guò)電容或電感等儲(chǔ)能元件，將鋰電池組中容量高的單體電池中的能量轉(zhuǎn)移到容量低的單體電池上的均衡形式，稱之為能量轉(zhuǎn)移式均衡。利用電容作儲(chǔ)能元件，目前已發(fā)展有三種典型的均衡電路拓?fù)洌洪_(kāi)關(guān)電容電路、飛渡電容電路、雙層開(kāi)關(guān)電容電路。

1）開(kāi)關(guān)電容法均衡
如圖2.3（a）所示，對(duì)于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動(dòng)力電池組，開(kāi)關(guān)電容法均衡電路需要n-1個(gè)電容元件和2n個(gè)開(kāi)關(guān)器件。以單體電池B1和B2端電壓不一致為例，控制過(guò)程中，存在兩種狀態(tài)，狀態(tài)“A”和狀態(tài)“B”，如下圖2.4所示。

在狀態(tài)“A”時(shí)，開(kāi)關(guān)S1和S3開(kāi)通；狀態(tài)“B”時(shí)，關(guān)閉開(kāi)關(guān)S1和S3，S2和S4開(kāi)通。同時(shí)，在狀態(tài)“A”和狀態(tài)“B”中，加入一定的死區(qū)時(shí)間td。死區(qū)時(shí)間td的大小由式（2.1）決定。
td=max（ton（d）+t，toff（d）+tf）（2.1）
其中，toa（）、t分別為開(kāi)關(guān)s的開(kāi)通延遲和上升延遲時(shí)間，toro、tr分別為開(kāi)關(guān)S的關(guān)斷延時(shí)和下降延時(shí)時(shí)間。狀態(tài)“A”中，C1和B1并聯(lián)，C1將會(huì)被充放電，最終C1的電壓值和B1一致；狀態(tài)B”中，開(kāi)關(guān)S1和S3關(guān)斷，S2和S4開(kāi)通，C1和B2并聯(lián)，C1將對(duì)B2充放電，經(jīng)歷幾個(gè)周期后，B1和B2端電壓將一致。該電路的缺點(diǎn)是只能用于單體電池間的端電壓均衡，同時(shí)只能實(shí)現(xiàn)相鄰單體電池間的能量流動(dòng)，因此當(dāng)串聯(lián)電池?cái)?shù)目較多時(shí)，均衡時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。

2）飛渡電容法均衡

如圖2.3（b）所示，對(duì)于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動(dòng)力電池組，飛渡電容法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只需要1個(gè)開(kāi)關(guān)電容元件和n+5個(gè)開(kāi)關(guān)器件?？刂品椒ㄊ牵嚎刂破鲗⒋?lián)電池組中容量最高的單體電池和容量最低的單體電池對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件進(jìn)行切換控制，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)該組電池間能量的流動(dòng)。然而，該方法現(xiàn)僅在超級(jí)電容器組的電壓均衡中得以廣泛應(yīng)用，對(duì)于鋰離子電池組的飛渡電容法均衡研究甚少。

3）雙層電容法均衡

如圖2.3（c）所示，雙層電容法均衡電路也是對(duì)開(kāi)關(guān)電容法電路的一個(gè)推導(dǎo)與變換，區(qū)別在于該電路使用了兩層開(kāi)關(guān)電容來(lái)實(shí)現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移。對(duì)于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動(dòng)力電池組，雙層電容法需要n個(gè)開(kāi)關(guān)電容元件和2n個(gè)開(kāi)關(guān)器件。相比較開(kāi)關(guān)電容法均衡電路，該電路的優(yōu)點(diǎn)是利用增加的外層開(kāi)關(guān)電容，使得單體電池不僅可以和相鄰的單體電池進(jìn)行電壓均衡，同時(shí)還可以和非相鄰的單體電池均衡，因此均衡速度得以提高。
利用電感作儲(chǔ)能元件，目前已提出的典型均衡方法有：開(kāi)關(guān)電感法、雙層開(kāi)關(guān)電感法等。

1）開(kāi)關(guān)電感法均衡

如圖2.5（a）所示，對(duì)于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動(dòng)力電池組，開(kāi)關(guān)電感法均衡電路需要需要n-1個(gè)電感元件和2（n-1）個(gè)開(kāi)關(guān)器件。以圖示3節(jié)電池串聯(lián)成組為例，當(dāng)單體電池B2容量高于B1時(shí)，對(duì)應(yīng)PWM驅(qū)動(dòng)S?開(kāi)通，B2給u充電；然后，S2斷開(kāi)，S1導(dǎo)，電感L1將存儲(chǔ)的能量迪過(guò)S1傳遞給B1。相鄰單體的兩個(gè)開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，同時(shí)加入死區(qū)，在死區(qū)時(shí)段，電感L1通過(guò)B1和S1的反并聯(lián)二極管續(xù)流，也是在給B1充電。同樣，單體B2容量高于B3時(shí)也采用相同的方式均衡。該均衡電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，然而只能實(shí)現(xiàn)相鄰單體電池之間的容量均衡，且串聯(lián)電池?cái)?shù)目較少的場(chǎng)合，如混合動(dòng)力汽車用動(dòng)力電池電源。當(dāng)串聯(lián)電池?cái)?shù)目較多、首尾兩端的單體電池容量相差較大時(shí)，勢(shì)必造成均衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，且均衡效率低下。

2）雙層開(kāi)關(guān)電感法均衡

針對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電感法均衡時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，文獻(xiàn)[25]對(duì)圖2.5（a）均衡電路進(jìn)行了改進(jìn)，如圖2.5（b）所示，將相鄰的兩個(gè)單體看做一個(gè)，每個(gè)單體都通過(guò)MOSFET（金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管）和一個(gè)電感相連，相鄰兩個(gè)再形成一組，和另外組再通過(guò)一個(gè)MOSFET和電感相連，在數(shù)目較大時(shí)會(huì)形成一個(gè)環(huán)式結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)，使得每個(gè)單體不但可以和相鄰單體進(jìn)行容量均衡，還能和相隔較遠(yuǎn)的單體同時(shí)進(jìn)行能量交換，使均衡時(shí)間顯著縮短，解決了傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電感法均衡電路均衡速度慢這個(gè)最大問(wèn)題。

②能量轉(zhuǎn)換式均衡

能量轉(zhuǎn)換式均衡是經(jīng)DC-DC變換電路，實(shí)現(xiàn)電池組整體（也可經(jīng)外部輸入電源）向容量低的單體電池進(jìn)行補(bǔ)充電，也可由容量高的單體電池經(jīng)隔離變換電路實(shí)現(xiàn)向電池組充電，以實(shí)現(xiàn)均衡充電的目的。按結(jié)構(gòu)大體可分為兩種：集中式、分布式。
1）集中式均衡

集中式均衡電路，其能量轉(zhuǎn)換是經(jīng)一個(gè)多輸出的隔離變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組中容量最低的單體電池直接充電。該方案可實(shí)現(xiàn)快速均衡，變換器輸入可以是電池組整體，也可從外部電源取得電能進(jìn)行均衡。

變壓器的原邊和副邊結(jié)構(gòu)很多，典型的有反激和正激式結(jié)構(gòu)，如圖2.6所示，在反激式均衡結(jié)構(gòu)中，當(dāng)主開(kāi)關(guān)管S開(kāi)通時(shí)，電池組的能量將以磁場(chǎng)能量?jī)?chǔ)存在變壓器T中；關(guān)斷S時(shí)，大部分能量將傳遞到變壓器副邊對(duì)電池組中電壓最低的單體電池充電。該電路的缺點(diǎn)在于為避免變壓器飽和、以及對(duì)開(kāi)關(guān)管S和二極管D的損壞，限制了系統(tǒng)效率的提高，以及對(duì)開(kāi)關(guān)管占空比大小的調(diào)制，而且，變壓器漏感導(dǎo)致的電壓不平衡使得系統(tǒng)控制不能很好的補(bǔ)償。

在正激式均衡結(jié)構(gòu)中，當(dāng)檢測(cè)到某節(jié)單體電池電壓相比電池組平均電壓很大時(shí)，對(duì)應(yīng)于并聯(lián)在該電池兩端的開(kāi)關(guān)管S開(kāi)通，能量經(jīng)變壓器T和反并聯(lián)二極管傳遞給其他單體電池。由于多繞組變壓器的繞組共用一個(gè)鐵芯，因此漏感等產(chǎn)生的效應(yīng)不能忽視，集中式均衡結(jié)構(gòu)中變壓器的繞組不能過(guò)多，即均衡對(duì)象串聯(lián)電池組中電池單體數(shù)目要求較少。
2）分布式均衡
分布式均衡方案是在每節(jié)單體電池兩端均并聯(lián)一個(gè)均衡充電單元，如圖2.7所示，圖示中DC-DC變換器典型電路有buck-boost電路、反激式DC-DC等。

1）級(jí)聯(lián)buck-boost 法均衡
傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電感法均衡不適宜串聯(lián)電池組數(shù)目較多的場(chǎng)合，文獻(xiàn)[26]對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，提出了級(jí)聯(lián)buck-boost法均衡電路，如圖2.7（a）所示，該電路在每個(gè)單體電池上并聯(lián)一個(gè)buck-boost電路來(lái)分配電流，由圖示電路可知，每個(gè)變換器的開(kāi)關(guān)應(yīng)力降低，使得電路損耗減小。同時(shí)，對(duì)于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動(dòng)力電池組，該結(jié)構(gòu)包含有n個(gè)子電路，因此，該電路可進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)用性增強(qiáng)，但控制復(fù)雜。
2）多原邊繞組反激變換器均衡
與圖2.6（a）示均衡結(jié)構(gòu)采用多副邊繞組共用一個(gè)磁芯不同，圖2.7（b）示電路采用了多原邊繞組反激變換器，所有的原邊繞組都是串聯(lián)耦合的，同時(shí)每個(gè)原邊繞組都有獨(dú)立的充電控制開(kāi)關(guān)SSR（i=1，2，，n）以實(shí)現(xiàn)均衡。假設(shè)單體電池B1容量最低，SSR1斷開(kāi)，SSR2-SSRa開(kāi)通，主開(kāi)關(guān)管S以一定的占空比導(dǎo)通，S斷開(kāi)時(shí)，電池組電流通過(guò)二極管流入B1。
在分布式均衡電路中，反激式變換電路最為實(shí)用，優(yōu)點(diǎn)是均衡效率高、開(kāi)關(guān)元件電壓等級(jí)與電池組串聯(lián)節(jié)數(shù)無(wú)關(guān)，適合于電動(dòng)汽車用動(dòng)力鋰離子電池均衡充電場(chǎng)合。