賈麗源，王成龍

（ 1.甘肅有色冶金職業(yè)技術學院，甘肅 金昌 737100；2.上海江南長興重工有限公司，上海 201913 ）

新型鋰電池組混合均衡電路的設計

賈麗源1，王成龍2

（ 1.甘肅有色冶金職業(yè)技術學院，甘肅 金昌 737100；2.上海江南長興重工有限公司，上海 201913 ）

針對鋰電池充放電過程中的不一致性，設計了一種基于能量轉移的鋰電池均衡方案，通過將多余的能量傳遞到低電量的電池中實現(xiàn)均衡。系統(tǒng)采用的是2級混合均衡方法，第一級采用的是新型電感均衡電路，第二級采用的是獨立變壓器并聯(lián)均衡電路。實驗結果表明，該方法具有均衡時間短、效率高等優(yōu)點，有效解決鋰電池充放電不均衡性問題。

不一致性；混合均衡；電感均衡；變壓器

0 引言

鋰離子電池具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長、安全性能好、自放電性小、可快速充放電和工作溫度范圍高等優(yōu)點，已成為可充電電動工具最廣泛使用的電源。由于各單體電池在生產過程中內阻、容量等參數不一致，并且電池組在使用過程中，各個單體電池會發(fā)生一些變化，電池的各參數也會不一致。若不采取有效措施會造成單體電池過充電和過放電，嚴重影響電池組的性能及壽命。

為了解決串聯(lián)鋰電池組的充放電問題，提高串聯(lián)鋰電池組的壽命，必須對鋰電池充放電過程進行均衡控制。均衡技術是目前世界正在致力研究與開發(fā)的一項電池能量管理系統(tǒng)的關鍵技術。目前均衡技術主要分為以下兩類：被動均衡和主動均衡。被動均衡即有損均衡，在每個單體電池并聯(lián)一個電阻分流，將容量多的電池中多余的能量消耗掉，實現(xiàn)整組電池電壓的均衡。主動均衡即無損均衡，將單體能量高的轉移到單體能量低的，或用整組能量轉移到單體最低電池。在實施過程中需要一個儲能環(huán)節(jié)，使得能量通過這個環(huán)節(jié)重新進行分配。

針對上述問題并結合現(xiàn)有技術，本文提出了一種新型鋰電池組混合均衡電路，系統(tǒng)第一級采用新型電感均衡電路，第二級采用獨立變壓器并聯(lián)均衡電路。兩級混合均衡不僅可以解決鋰電池組充放電過程中的能量均衡問題，而且可以縮短充電時間，提高系統(tǒng)運行效率。

1 新型電感均衡電路

1.1 電路結構

本文所設計的新型電感均衡電路如圖1所示，B1～Bn為串聯(lián)鋰電池組，M1～Mn為均衡開關的功率MOSFET，電池管理系統(tǒng)（BMS）控制其導通與關斷，L為均衡模塊中的儲能電感。其工作的基本原理為：通過控制相應的MOSFET，將高電壓電池的多余能量存儲到電感中，并通過電感將能量傳遞到低電壓電池中。因此，若要給n節(jié)電池構成的電池組均衡，需要使用2(n+1)個MOSFET。該電路體積小，結構緊湊，可擴展性強。

1.2 電路分析

通過4節(jié)鋰電池組成的均衡單元說明均衡的工作原理及過程。其他均衡單元的工作原理是相同的。假設B1為較高電壓的單體電池，B4為較低電壓的單體電池，即V1＞V4。通過儲能電感，將B1中多余的能量傳遞到B4中，實現(xiàn)均衡。

（1）模式1

如圖2所示，M1，M9閉合，其余MOS管斷開，此時B1和L構成閉合回路，電池1給電感L1充電，流過電感的電流不斷上升，同時電感中存儲的能量也不斷上升。圖3為等效電路，R0為整個回路的等效電阻，V1為電池1上的電壓，i為均衡電流。根據基爾霍夫電壓定律，計算電路的電流變化：

整理可得

其中，t為電感持續(xù)充電時間。

圖2 電感充電電路

圖3 電感充電等效電路

（2）模式2

如圖4所示，M5，M7閉合，其余MOS管斷開。此時B4和L構成閉合回路。電感中的電流保持原有方向不變，對電池B4進行放電，流過電感的電流不斷下降，同時電感中存儲的能量也不斷下降。電感放電等效電路如圖5所示。通過基爾霍夫定律，計算電路的電流變化。

整理可得

這種用刀切完西瓜隨手丟在床上的情況，可能并不多見。但隨手丟東西導致人命喪失的情況，卻不是孤例。有的人在公交車或者其他交通工具上，將用過的紙巾、食物包裝等廢棄物，隨手就丟出車窗外。要知道清潔工為了清掃這樣的垃圾，需要冒著生命危險進入車流之間，因此而發(fā)生車禍的報道，不時可見。我在公交車上見到的最為令人目瞪口呆的一幕，是一個在車上吃飯的乘客，竟然將吃剩的飯菜像天女散花一樣向車流如織的街道中央“播撒”。

其中i0為上一過程的電流終值。

圖4 電感放電電路

圖5 電感放電等效電路

綜合上述分析，在V1＞V4的情況下，各點的電流電壓波形如圖6所示。MOS管由方波驅動，可以看到電感上電流的變化趨勢。電感電流上升，表明電壓高的電池對電感進行充電；電感電流下降，表明電感放電，對電壓低的電池進行充電。這一過程直至兩電池達到平衡為止，均衡后電壓為兩電池電壓的平均值，即

圖6 均衡電路波形圖

2 獨立變壓器并聯(lián)均衡電路

2.1 電路結構

本文所采用的獨立變壓器并聯(lián)均衡電路如圖7所示。這種結構采用獨立的壓緊式低功率多繞組變壓器，由光耦控制器S1～Sn安裝于變壓器初級線圈上。通過電池管理系統(tǒng)（BMS）控制光耦控制器的開關與導通，選擇均衡對象。

圖7 獨立變壓器并聯(lián)均衡電路

在圖7所示的均衡電路中，每個單體電池都接有一個獨立反激式變換器，所有的原邊都是并聯(lián)耦合的。每一個變壓器都由一個光耦控制。該均衡過程如下：PWM波驅動MOSFET開關Q導通，均衡電流從整個電池組中流入電壓低的單體電池之中。

2.2 電路分析

本文所提出的均衡電路具有控制簡單、易實現(xiàn)等特點。根據原邊MOSFET管的工作狀態(tài)，可以將該均衡電路分成兩種工作模式。假設最后一個電池Bn為最低電壓單體電池，電池管理系統(tǒng)（BMS）控制S1～Sn-1斷開，Sn打開，PWM波驅動MOSFET管Q的導通與關斷。

此模式下，MOSFET管Q導通，Sn開啟。整個電池組流出的電流不斷上升，單體電池Bn對應的原邊上的電流Ikgn也隨之上升。

（2）模式2

在該模式下，MOSFET管Q關斷。副邊上對應的整流二極管導通，電流通過變壓器傳遞到電池Bn上，即電流流入單體電池Bn上。

通過上述過程，低電壓的單體電池不斷進行均衡充電，電池上的能量不斷上升，電壓也隨之上升。在上述均衡系統(tǒng)中，假設均衡電路的效率為η，則

式中Pout,avg為均衡電路平均輸出功率，Pin,avg為均衡電路平均輸入功率。對輸出功率積分可得輸出功率平均值，即：

上式中Vn(τ)為選通的單體電池電壓，Iout，Pin為流出變壓器和流入變壓器的電流，且

其中C為實際使用電池的電容值，化簡均衡電路平均輸出功率公式，得

3 兩級混合均衡策略

在使用較多數量鋰電池的應用場合中，采用分級均衡的方法。即將整個串聯(lián)電池組分成n個小塊，首先對每一個小塊進行均衡。這一輪均衡結束之后，在對整個電池組進行均衡，依次提升能量轉換率和均衡效率。根據上述策略，提出如下的混合均衡原理框圖，其中第一級采用新型電感均衡電路，第二級采用獨立式變壓器均衡電路，如圖8所示。

圖8 混合均衡框圖

本文提出的二級均衡具有均衡效果好，系統(tǒng)擴展性強等優(yōu)點。新型電感均衡電路在工作過程中，不會出現(xiàn)電感發(fā)熱現(xiàn)象，具有能量轉移型電路的一般優(yōu)點。獨立式變壓器均衡電路均衡效率高。采用本文提出的二級均衡電路能夠綜合兩種均衡電路的優(yōu)點，取利舍弊。

4 實驗

實驗采用20個單體電池，每4個單體電池組成一個電池組。20 min測量一次電池組電壓。5個電池組的電壓在均衡過程隨時間變化曲線如圖9所示，起始電壓分別為14．4 V，14．0 V，13．3 V，12．3 V，12．0 V。由圖9可以看到，起始電壓低的電池組在均衡過程中電池組電壓慢慢上升，起始電壓高的電池組在均衡過程中電池組電壓慢慢下降，最后電池組電壓趨于相等。

圖9 混合均衡電池組電壓

5 結語

本文針對串聯(lián)鋰電池組充放電過程中的均衡問題，研究了一種二級均衡方案。本方案均衡效果好，結構緊湊，易于模塊化設計，為串聯(lián)電池組均衡提供了新的解決方案。針對本系統(tǒng)進一步的工作將是如何更好提高系統(tǒng)效率和可靠性。

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A New Type of Hybrid Equalization Circuit Design for Lithiumion Battery Pack

Jia Liyuang1, Wang Chenglong2
(1. Gansn Vocational & Technical College of Nonferrous Metallurgy, Jinchang 737100, China; 2. Shanghai Jiangnan Changxing Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 201913, China)

According to the inconsistency problem in charging and discharging process of series connected lithium-ion battery pack, a lithium battery equalization scheme based on energy transferring is designed. By moving the excess energy to the low power battery, the goal of equalization is achieved. The system uses a two-stage hybrid equalization method. The first stage is the new pattern inductance equalization circuit,and the second is independent transformer parallel equalization circuit. The experimental results show that this method has the advantages of short equalization time, high efficiency and so on, and can effectively solve the problem of unbalancing in charging and discharging process.

inconsistencies; hybrid equalization; inductance equalization; transformer

TM910.2

A

1674-2796（2015）06-0005-05

2015-11-17

賈麗源（1992—），女，大學本科，助教，主要從事信號與信息處理的研究和教學工作。