串聯鋰離子電池組均衡管理方法研究

馬 艷，韓 佳，呂棟騰

（陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

0 引言

隨著電動車和便攜式電子產品的快速發展，對于電池技術的研究受到越來越多學者的關注和重視，電池技術也在近年來不斷地的更新換代。鋰離子電池由于其能量密度高、自放電小、無記憶效應、使用壽命長及單節電池電壓高等許多優點，得到了廣泛的應用，迅速成為市場上的主流電池產品。

對于較大功率的電器而言，單節電池的容量是有限的，不能保證用電器長時間工作，而串聯鋰離子電池組可以提供較高的電壓、較大的電池容量。但是在實際使用時，鋰離子電池組各單體電池之間存在差異性，在電池組充放電過程中，這種差異性會使個別單體電池由于過充或者過放而損壞，從而導致整個電池組損壞，降低電池組的使用壽命，因此在充放電時對鋰電池組中的單體電池進行能量均衡是十分必重要的[1]。

為解決串聯鋰離子電池組在充放電時的均衡問題，提高電池組的性能和使用壽命，本文綜合前人的研究成果[2]，提出了一種改進型的串聯鋰離子電池組充放電均衡管理方案。該方案直接采用DC/DC開關電源，在充放電過程中根據檢測到的各單體電池的狀態（電壓值、電流值等），運用智能化算法判斷出需要均衡的單節電池，對該節電池進行額外的均衡充放電，實現電池間能量的轉移。

1 整體設計思路

圖1為串聯鋰離子電池組均衡管理整體設計框圖。

（1）中央控制器采用TMS320F2812，滿足系統接收、處理大量數據，并進行相關算法運算和對實時性的要求。

（2）電池監測：采用精工S-8254A芯片，可測量4個串聯鋰離子電池電壓，電流傳感器采用霍爾傳感器CSCA0075A000-U12J-001，電壓傳感器采用霍爾電壓傳感器CLSM-10MA，ATmega32為MCU構成監測模塊。設計出電池組過壓、欠壓、過流、短路、過溫、低溫保護電路[3]。

圖1 串聯鋰離子電池組均衡管理整體設計框圖

（3）充電控制：運用脈沖恒流恒壓充電方式，保證鋰電池的完美充電曲線。配合ATmega32控制芯片及程序對主、備電源組進行充電，遵守低壓電池優先充電原則。

（4）放電控制：設計的放電回路，配合其他模塊，避免電池過放電的發生。

（5）均衡管理：直接采用DC/DC開關電源，在充放電過程中根據檢測到的各單體電池的狀態（電壓值、電流值等），運用智能化算法判斷出需要均衡的單節電池，對該節電池進行額外的均衡充放電，實現電池間能量的轉移[4]。

2 均衡管理

本文采用改進型的Flyback變換器[5]對串聯電池組進行均衡管理。Flyback變換器是一種單管反激式直流變換器，其變壓器實際上是個耦合電感，其開關管為PWM工作[6]。

如圖2所示為四節串聯鋰離子電池組的均衡電路圖，每節電池兩端都并聯在一個Flyback變換器的變壓器的原邊上，變壓器的副邊連在一起再接到整個電池組的正極上。Flyback變換器構成的均衡電路有三種工作狀態：

（1）充電電路給電池組充電時，反激變換器中的開關管斷開，二極管截至，變壓器的原副邊電路中沒有電流，原副邊線圈中都不儲存能量。

圖2 串聯鋰離子電池組的均衡電路

（2）當充電過程中有一個單體電池出現過充現象，則其所在的反激變換器的開關管閉合，電池通過原邊電路放電，原邊電流增加，變壓器的副邊線圈此時存儲能量，而副邊的二極管處于截至工作狀態，副邊電路中沒有電流。

（3）當電池放電達到電池的額定容量時，開關管截至，二極管導通，由于變壓器的副邊都是連接在一起再接到整個電池組的正極的，所以存儲在變壓器副邊線圈中的能量傳遞給整個電池組，所有電池以相同的電流充電，得到相同的能量，則過充電池釋放的能量在電池組中是均勻分配的。

3 均衡效果

本文通過實驗驗證所設計的均衡電路已達到預先的均衡效果。實驗使用的電池組是4節20Ah鋰離子電池串聯的電池組。表1列出了上述均衡電路對四節鋰離子電池的均衡結果。其中初始和結束分別代表均衡前后的各項指標。VB1～VB4是電池組中每節單體電池的端電壓，∑VB、Vavg和△VBmax分別代表電池組中所有電池的電壓總和、平均電壓和電池間的最大電壓差。

表1 均衡電路對四節串聯鋰鋰離子電池均衡結果

4 結束語

根據上述均衡結果可以看出，設計的均衡電路使每節單體電池的最大電壓差△VBmax由0.114下降到0.012，滿足最初對于均衡電路的設計要求。其中∑VB在初始和結束時有略微的下降，因為均衡電路各元器件在能量轉移時有能量損失，此損失不影響最終的實驗結論。

[1]2007年中國動力鋰離子電池市場研究報告[R].中國社會經濟調查研究中心，2007.

[2]蔣新華，馮毅，解晶瑩.鋰離子蓄電池保護電路發展現狀及趨勢[J].電源技術，2004，9.

[3]周亞楠.鋰電池管理系統的研究與實現[D].山東:中國海洋大學，2008.

[4]陳晶晶.串聯鋰離子電池組均衡電路的研究[D].浙江:浙江大學，2008.

[5]嚴仰光.雙向直流變換器[M].江蘇:江蘇科學技術出版社,2004.

[6]王意軍,李朵.實用串聯鋰離子電池組均衡電路的比較研究[J].電源技術應用，2010，8.