電池組均衡充電電路的思考

針對電池組均衡充電電路拓撲的設(shè)計，國內(nèi)外研究人員提出了許多種不同的電路拓撲結(jié)構(gòu)。由均衡過程中電路對能量的消耗情況，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在電池組中各單體電池兩端分別并聯(lián)分流電阻進行放電，從而實現(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)是通過分流電阻對容量高的單體電池進行放電，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)對單體電池進行放電，放電電阻Ri=1，2，.…，n）的大小可根據(jù)當前單體電池的狀態(tài)進行調(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充時不會損壞單體電池]。這種電路簡單、成本低，缺點在于無論電池是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)，分流電阻會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、對可靠性要求高的場合，如衛(wèi)星電源等。

圖2.1（b）稱之為開關(guān)電阻放電均衡，在此充電過程中，通過并聯(lián)在單體電池兩端的均衡開關(guān)S（i=1，2，n）和分流電阻R（i=1，2，n）實現(xiàn)對充電電流的調(diào)節(jié)，均衡電流通過控制均衡開關(guān)的占空比或開關(guān)周期來實現(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是一款針對純電動汽車（混合動力汽車）用鋰離子電池測量、監(jiān)控的電池管理芯片，一塊芯片可支持對6節(jié)單體電池電壓、溫度進行檢測，當電池組進行充電時，并聯(lián)在單體電池兩端的開關(guān)管S由控制芯片ATA6870輸出的6路脈寬調(diào)制信號來控制，調(diào)制信號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進行調(diào)整，因而能實現(xiàn)對單體電池充電電流的獨立調(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。該方法的缺點是在大容量電池組均衡中存在較嚴重的散熱問題，對鋰離子電池性能影響較大，為此對熱管理要求很高。

上述兩種能量耗散型電路的缺點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

通過電容或電感等儲能元件，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。利用電容作儲能元件，目前已發(fā)展有三種典型的均衡電路拓撲：開關(guān)電容電路、飛渡電容電路、雙層開關(guān)電容電路。

1）開關(guān)電容法均衡
如圖2.3（a）所示，對于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動力電池組，開關(guān)電容法均衡電路需要n-1個電容元件和2n個開關(guān)器件。以單體電池B1和B2端電壓不一致為例，控制過程中，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，開關(guān)S1和S3開通；狀態(tài)“B”時，關(guān)閉開關(guān)S1和S3，S2和S4開通。同時，在狀態(tài)“A”和狀態(tài)“B”中，加入一定的死區(qū)時間td。死區(qū)時間td的大小由式（2.1）決定。
td=max（ton（d）+t，toff（d）+tf）（2.1）
其中，toa（）、t分別為開關(guān)s的開通延遲和上升延遲時間，toro、tr分別為開關(guān)S的關(guān)斷延時和下降延時時間。狀態(tài)“A”中，C1和B1并聯(lián)，C1將會被充放電，最終C1的電壓值和B1一致；狀態(tài)B”中，開關(guān)S1和S3關(guān)斷，S2和S4開通，C1和B2并聯(lián)，C1將對B2充放電，經(jīng)歷幾個周期后，B1和B2端電壓將一致。該電路的缺點是只能用于單體電池間的端電壓均衡，同時只能實現(xiàn)相鄰單體電池間的能量流動，因此當串聯(lián)電池數(shù)目較多時，均衡時間相對較長。

2）飛渡電容法均衡

如圖2.3（b）所示，對于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動力電池組，飛渡電容法拓撲結(jié)構(gòu)只需要1個開關(guān)電容元件和n+5個開關(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應(yīng)的開關(guān)器件進行切換控制，以此來實現(xiàn)該組電池間能量的流動。然而，該方法現(xiàn)僅在超級電容器組的電壓均衡中得以廣泛應(yīng)用，對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開關(guān)電容法電路的一個推導與變換，區(qū)別在于該電路使用了兩層開關(guān)電容來實現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移。對于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動力電池組，雙層電容法需要n個開關(guān)電容元件和2n個開關(guān)器件。相比較開關(guān)電容法均衡電路，該電路的優(yōu)點是利用增加的外層開關(guān)電容，使得單體電池不僅可以和相鄰的單體電池進行電壓均衡，同時還可以和非相鄰的單體電池均衡，因此均衡速度得以提高。
利用電感作儲能元件，目前已提出的典型均衡方法有：開關(guān)電感法、雙層開關(guān)電感法等。

1）開關(guān)電感法均衡

如圖2.5（a）所示，對于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動力電池組，開關(guān)電感法均衡電路需要需要n-1個電感元件和2（n-1）個開關(guān)器件。以圖示3節(jié)電池串聯(lián)成組為例，當單體電池B2容量高于B1時，對應(yīng)PWM驅(qū)動S?開通，B2給u充電；然后，S2斷開，S1導，電感L1將存儲的能量迪過S1傳遞給B1。相鄰單體的兩個開關(guān)管驅(qū)動信號互補，同時加入死區(qū)，在死區(qū)時段，電感L1通過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時也采用相同的方式均衡。該均衡電路結(jié)構(gòu)簡單，然而只能實現(xiàn)相鄰單體電池之間的容量均衡，且串聯(lián)電池數(shù)目較少的場合，如混合動力汽車用動力電池電源。當串聯(lián)電池數(shù)目較多、首尾兩端的單體電池容量相差較大時，勢必造成均衡時間過長，且均衡效率低下。

2）雙層開關(guān)電感法均衡

針對傳統(tǒng)開關(guān)電感法均衡時間長的問題，文獻[25]對圖2.5（a）均衡電路進行了改進，如圖2.5（b）所示，將相鄰的兩個單體看做一個，每個單體都通過MOSFET（金屬氧化物半導體場效應(yīng)管）和一個電感相連，相鄰兩個再形成一組，和另外組再通過一個MOSFET和電感相連，在數(shù)目較大時會形成一個環(huán)式結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)，使得每個單體不但可以和相鄰單體進行容量均衡，還能和相隔較遠的單體同時進行能量交換，使均衡時間顯著縮短，解決了傳統(tǒng)開關(guān)電感法均衡電路均衡速度慢這個最大問題。

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行補充電，也可由容量高的單體電池經(jīng)隔離變換電路實現(xiàn)向電池組充電，以實現(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)一個多輸出的隔離變換器實現(xiàn)對電池組中容量最低的單體電池直接充電。該方案可實現(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，當主開關(guān)管S開通時，電池組的能量將以磁場能量儲存在變壓器T中；關(guān)斷S時，大部分能量將傳遞到變壓器副邊對電池組中電壓最低的單體電池充電。該電路的缺點在于為避免變壓器飽和、以及對開關(guān)管S和二極管D的損壞，限制了系統(tǒng)效率的提高，以及對開關(guān)管占空比大小的調(diào)制，而且，變壓器漏感導致的電壓不平衡使得系統(tǒng)控制不能很好的補償。

在正激式均衡結(jié)構(gòu)中，當檢測到某節(jié)單體電池電壓相比電池組平均電壓很大時，對應(yīng)于并聯(lián)在該電池兩端的開關(guān)管S開通，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多，即均衡對象串聯(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）級聯(lián)buck-boost 法均衡
傳統(tǒng)開關(guān)電感法均衡不適宜串聯(lián)電池組數(shù)目較多的場合，文獻[26]對其進行改進，提出了級聯(lián)buck-boost法均衡電路，如圖2.7（a）所示，該電路在每個單體電池上并聯(lián)一個buck-boost電路來分配電流，由圖示電路可知，每個變換器的開關(guān)應(yīng)力降低，使得電路損耗減小。同時，對于由n節(jié)單體電池串聯(lián)組成的動力電池組，該結(jié)構(gòu)包含有n個子電路，因此，該電路可進行模塊化設(shè)計，實用性增強，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，同時每個原邊繞組都有獨立的充電控制開關(guān)SSR（i=1，2，，n）以實現(xiàn)均衡。假設(shè)單體電池B1容量最低，SSR1斷開，SSR2-SSRa開通，主開關(guān)管S以一定的占空比導通，S斷開時，電池組電流通過二極管流入B1。
在分布式均衡電路中，反激式變換電路最為實用，優(yōu)點是均衡效率高、開關(guān)元件電壓等級與電池組串聯(lián)節(jié)數(shù)無關(guān)，適合于電動汽車用動力鋰離子電池均衡充電場合。