閆改珍 徐朝勝 李進(jìn) 權(quán)悅

(安徽科技學(xué)院機(jī)電與車輛工程學(xué)院，安徽滁州 233100)

1 電池不一致性及其危害

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池由多節(jié)單體充電電池串并聯(lián)而成，以滿足動(dòng)力源的電壓需求和容量需求［1］。由于制造工藝、老化及環(huán)境溫度的影響，單體電池在容量、內(nèi)阻等性能上不可避免地存在不一致性。成組工作的單體電池的循環(huán)壽命低于單獨(dú)工作的單體電池，這主要是由單體電池的不一致性造成的［2-3］。電池的不一致性及其危害主要表現(xiàn)在:

(1)容量不一致性。首先，容量不同的蓄電池放電深度不盡相同。同組電池中，容量較大的電池還處于淺放電時(shí)，容量較小的電池可能已進(jìn)入深放電階段或已放電完而成為電路的負(fù)載，出現(xiàn)蓄電池的反極現(xiàn)象，使得整個(gè)蓄電池組不能正常工作，同時(shí)對(duì)反極的蓄電池壽命造成極大的影響。其次，不同容量的同類電池最佳放電電流不同，但成組工作時(shí)各電池工作電流相同，無法兼顧。最后，充電過程中，容量較小的電池電壓上升較快，充電即將結(jié)束時(shí)極易過充。容量較小的電池在充放電過程中易進(jìn)入惡性循環(huán)而提前損壞。

(2)內(nèi)阻不一致性。放電過程中，內(nèi)阻大的電池壓降和能量損耗較大，易產(chǎn)生熱量導(dǎo)致電池升溫，而環(huán)境溫度的不一致性會(huì)進(jìn)一步加劇組內(nèi)電池性能的不均衡。充電過程中，內(nèi)阻較大的電池充電電壓較大，容易提前達(dá)到電壓上限。

(3)電壓不一致性。容量和內(nèi)阻不一致，導(dǎo)致電池組在使用過程中電壓不一致性日趨嚴(yán)重。電壓不一致成為電池特性不一致的最終表象。對(duì)單體電池能量進(jìn)行均衡控制是確保電池組充分發(fā)揮效能的重要保障。

2 均衡方案及相關(guān)文獻(xiàn)

近年來出現(xiàn)的新型電池，如鋰電池，敏感易損，工作電壓精度要求較高，因此鉛酸電池通過控制過充，監(jiān)測電池溫度的被動(dòng)均衡方法不再適用。本文重點(diǎn)介紹近年來出現(xiàn)的幾種主動(dòng)均衡方法。按照電路結(jié)構(gòu)，主動(dòng)均衡方法可以分為分流均衡法，梭動(dòng)電容法和能量轉(zhuǎn)換法，如圖1所示。

圖1 主動(dòng)均衡法及分類圖

3 分流均衡法

分流均衡法通過給電池并聯(lián)分流回路來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)某個(gè)單體電池荷電狀態(tài)高于其他電池時(shí)，接通與之并聯(lián)的分流通路，放慢該電池的充電速率，從而實(shí)現(xiàn)荷電均衡。按照分流回路的耗散性，分流均衡法可進(jìn)一步分為耗散型分流均衡和非耗散型分流均衡。

3.1 耗散型分流均衡

典型的耗散型分流均衡電路如圖2所示。

圖2 耗散型分流均衡電路

圖2(a)中的分流回路由一個(gè)MOS開關(guān)和分流電阻組成，分流電阻的大小決定均衡能力的大小。若分流電阻提供的均衡電流為10 mA/Ah，則電路每小時(shí)能提供1%的均衡力。實(shí)際選用電阻時(shí)，應(yīng)綜合考慮均衡效率和熱量耗散問題。分流電阻輻射大量熱量會(huì)改變電池的環(huán)境溫度，加劇組內(nèi)電池的不均衡性。

圖2(b)中的分流器件為三極管。當(dāng)電池電壓超過允許的充電電壓值時(shí)，電壓比較器反相端電位(電池電壓分壓)高于同相端電位(由穩(wěn)壓電路輸出的參考電位)，驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通?？梢娫摲桨竷H在充電即將結(jié)束時(shí)才開始均衡，與圖1所示方案相比能量損耗較小。同時(shí)該方案無需智能電壓檢測系統(tǒng)，并具有較好的可擴(kuò)展性，便于模塊化設(shè)計(jì)。

3.2 非耗散型分流均衡

幾種典型的非耗散型分流均衡電路如圖3所示。

圖3 非耗散型分流均衡電路

圖3(a)為完全分流均衡電路［5］。當(dāng)電池Bi充滿電荷時(shí)，Si2導(dǎo)通，Si1斷開，電池Bi的充電電流被完全旁路。這一均衡方案要求充電器的輸出電壓能夠在較大范圍內(nèi)變化，造價(jià)較高。

圖3(b)為同構(gòu)CE構(gòu)成的均衡電路，相鄰電池間并接一個(gè)電池均衡單元(CE)。每個(gè)均衡單元可以有不同的電路結(jié)構(gòu)，如文獻(xiàn)［6］中的CE結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示，PMOS管和NMOS管在PWM脈沖的控制下交替導(dǎo)通。當(dāng)NMOS管導(dǎo)通時(shí)，電池B1的充電電流減小，電感L開始蓄能;當(dāng)NMOS管斷開時(shí)，PMOS管導(dǎo)通，電感L感生出左正右負(fù)的感生電動(dòng)勢(shì)并對(duì)電池B2釋能，使其充電電流高于其他電池?？刂芇WM脈沖的脈寬可調(diào)整每個(gè)周期的電荷均衡量，改變PWM脈沖的極性可以控制電荷的轉(zhuǎn)移方向。該方案可以實(shí)現(xiàn)電池的無損均衡，但需要精確的電池電壓監(jiān)測，且電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。

4 梭動(dòng)均衡法

梭動(dòng)均衡法通過將電容器并接于各單體電池兩端并進(jìn)行切換實(shí)現(xiàn)均衡。荷電狀態(tài)相對(duì)較高的電池將對(duì)電容充電，荷電狀態(tài)相對(duì)較低的電池接受儲(chǔ)能元件釋放的電荷。典型的梭動(dòng)均衡法電路如圖4所示。

圖4(a)為多切換電容法［8-10］，通過在相鄰電池間并接一個(gè)切換電容來實(shí)現(xiàn)均衡。在聯(lián)動(dòng)開關(guān)的控制下，各電容同步在相鄰電池間反復(fù)切換。每次切換前，電容均會(huì)被充電或放電至與之并聯(lián)的電池電壓。該法無需智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用電路較為簡單。但對(duì)于鋰離子電池，荷電狀態(tài)在20%到80%時(shí)電壓變化較為平坦，均衡精度較低，因而在混合動(dòng)力車中的應(yīng)用受到限制。

圖4(b)所示的單切換電容法［4，7］與圖4(a)類似，但僅使用一個(gè)切換電容。與圖4(a)相比，電容依次在所有單體電池間切換，電池組中的單體電池越多，則均衡周期越長，均衡速度越慢。

圖4 梭動(dòng)均衡法

5 能量轉(zhuǎn)換法

能量轉(zhuǎn)換法通過輸入和輸出絕緣的DC/DC變換器將電池組的能量轉(zhuǎn)移到單體電池中。幾種典型的能量轉(zhuǎn)換型均衡電路如圖5所示。

圖5 能量轉(zhuǎn)換型均衡電路

圖5(a)所示為多繞組變壓器均衡電路［11］。均衡電路結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)多輸出反激式DC/DC變換器，單體電池電壓越低，與之連接的變壓器副邊電流越大。該均衡電路無需閉環(huán)控制及電壓監(jiān)視器，均衡效率較高。但電路設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮最大的單體電池?cái)?shù)目，因此可擴(kuò)展性和裁剪性較差。同時(shí)，多繞組變壓器設(shè)計(jì)本身也有一定難度。

圖5(b)所示為切換變壓器均衡電路［4］。均衡電路由多輸出反激式變換器變?yōu)橐粋€(gè)單輸出變換器，通過切換開關(guān)，依次將變換器的輸出接到不同的單體電池兩端進(jìn)行均衡。由于無須使用多繞組變壓器，電路的設(shè)計(jì)難度和成本大大降低，但切換開關(guān)的使用增加了控制邏輯的復(fù)雜度，并使電路損耗增加，均衡效率降低。

6 結(jié)語

目前國內(nèi)外學(xué)者已充分認(rèn)識(shí)到成組使用的電池不一致性帶來的危害，并針對(duì)多種形式的均衡電路和均衡控制方案作了深入研究。均衡控制技術(shù)從理論研究到電動(dòng)汽車中普及應(yīng)用需考慮以下3個(gè)方面的要素:

(1)均衡效率。均衡效率具體又包含均衡時(shí)效與均衡能效?？焖俪潆娛菍?duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的必然要求，直接關(guān)系到電動(dòng)汽車的推廣與普及。均衡速度越快說明其對(duì)快速充電的適應(yīng)能力越強(qiáng)，而較慢的均衡速度將在快速充電時(shí)出現(xiàn)均衡力不足的情形。均衡能效越高，則均衡電路本身的能量損耗越小，動(dòng)力電池能量直接影響電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。均衡效率的提高有賴于均衡電路及均衡控制算法的合理選擇。

(2)系統(tǒng)復(fù)雜度與可擴(kuò)展性。在保證系統(tǒng)均衡精度和效率的前提下，盡可能降低系統(tǒng)復(fù)雜度，以降低系統(tǒng)成本及能耗。模塊化設(shè)計(jì)將有效降低設(shè)計(jì)難度，并使系統(tǒng)的可擴(kuò)展性增強(qiáng)。

(3)電磁輻射及抗干擾能力。均衡系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的一部分，工作環(huán)境較為惡劣。電動(dòng)機(jī)、供電系統(tǒng)繼電器、可控硅等都可能產(chǎn)生大的電流沖擊，通過數(shù)據(jù)傳輸線、電源及空間輻射形成較強(qiáng)的電磁干擾。因此電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合適的器件，并合理設(shè)計(jì)電路，使其具有較高的抗干擾能力，同時(shí)減小其對(duì)其他電路的電磁輻射和電磁干擾。

［1］Chan C C，Chau K T.An Overview of Electric Vehicleschallenges and Opportunities.Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22nd International Conference on Industrial Electronics，Control，and Instrumentation［C］.1996(1):1-6.

［2］Baisden A C，Emadi A.An ADVISOR Based Model of a Battery and an Ultra-capacitor Energy Source for Hybrid E-lectric Vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2004，53(1):199-205.

［3］Sean West，Philip T，Krein.Equalization of Valve-Regulated Lead-Acid Batteries:Issues and Life Test Results，Telecommunication Energy Conference［C］.2000，9:439-446.

［4］Cao J，Schofield N.Battery Balancing Methods:A Comprehensive Review［C］.IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2008，9:1-6.

［5］Shibata H，Taniguchi S，Yamasaki K.“Management of Serially-connected Battery System Using Multiple Switches，”in Proc.4th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems［C］.2001，2:508-511.

［6］Nishijima K，Sakamoto H，Harada K.A PWM Controlled Simple and High Performance Battery Balancing System，in Proc［C］.IEEE 31st Annual Power Electronics Specialists Conference，Galway，Ireland，2000，1:517-520.

［7］Isaacson M J，Hoolandsworth R P，Giampaoli P J.Advanced Lithium ion Battery Charger，in Proc.25th Annual Battery Conference on Applications and Advances［C］.2000，1:193-198.

［8］Pascual C，Krein P T.Switched Capacitor System for Automatic Series Battery Equalization，in Proc.12th Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］.Atlanta，GA，1997，2:848-854.

［9］West S，Krein P T.Equalization of Valve-regulated Leadacid Batteries:Issues and Life Test Results，in Proc.22ndInternational Telecommunications Energy Conference［C］.Dresden，Germany，2000，9:439-446.

［10］Kimball J W，Krein P T.Analysis and Design of Switched Capacitor Converters，in Proc.20th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］.2005，3:1473-1477.

［11］Kutkut N H，Divan D M，Novotny D W.Charge Equalization for Series Connected Battery Strings［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1995，31:562-568.