一種鋰電池組動態調整型主動均衡方法研究與設計

夏斌

【摘要】鋰電池組由多個單體電芯串聯組成，在使用過程中各單體電芯存在內阻、電壓、自耗電和充放電容量的差異，這些差異直接影響電池組的充放電性能和使用壽命，當前大多數均衡方法并不能達到節能降耗、高效準確的均衡效果，甚至存在很多缺陷。提出一種鋰電池組動態調整型主動均衡方法，采用這種方法可以實現高效準確地均衡，并真正意義上實現取長補短以達到節能降耗的要求。

【關鍵詞】鋰電池;主動均衡;電池管理系統;一致性;荷電狀態

由于單個鋰電芯電壓較低，大約在3.7V左右，為達到設備的供電電壓，必須將多個鋰電芯串聯起來使用，已達到高壓目的。但是由于每個鋰電芯在生產過程中存在一致性的差異，使得每個單體電芯的電壓、內阻、自耗電和充放電容量都有差異，這種差異直接影響到串聯后整個電池組的性能和壽命。目前市面上多數采用被動耗散型的均衡策略來提高鋰電池的一致性。但是這種技術發熱量大、均衡電流小以及浪費電池能量，不能起到取長補短的作用，使得電池組中高電量的單體電芯不能充分發揮容量，整個電池組的容量取決于最小容量的單體電芯。

一些傳統主動均衡技術也不實用，速率和能量利用率較為低下。大多數主動均衡技術采用飛渡式電容模式和能量逐級搬移模式，這兩種模式缺點都是每次只能對一個單體電池補充電，速度非常低。在單體均衡充電電路中采用三極管、場效應管及二極管來作為開關控制和整流控制，由于這些晶體管本生特性會有PN節導通電壓存在，這樣在大電流均衡時PN節電壓普遍在0.4～2.0伏之間，以10A電流為例，耗散功率達到4～20瓦，發熱耗散掉很大一部分能量，導致電池電能的浪費，特別是能量逐級搬移模式，每搬移到下一個單體，都會產生耗散，當搬移距離較遠時，可以說和被動均衡的效果一樣了，能量都在搬移的路上耗散殆盡，根本不能起到取長補短的作用。本文設計的一種動態調整型主動均衡裝置電路，原理圖如圖1，采用“總對多”的均衡模式，一次可以對多個單體電池進行均衡，在放電、充電和靜止狀態都能進行均衡，最大均衡電流可達到20A，不僅提高電池組的整體均衡速率，還大幅減小傳統均衡電路電能的耗散浪費問題，真正做到電池組電能的取長補短和高效利用。

圖1 均衡電路原理圖

1.系統設計

1.1 電路主要功能設計

電壓高精度測量電路由3個主要部分組成，如圖1所示。

（1）供電部分，負責均衡能量的提供，由電池組BT1～BTN、續流二極管D1、線圈T1、PWM開關MOS管Q1和保險絲Fz構成，目的是將電池組的總體能量從主線圈供應給次級線圈。采用“總對多”即N對n主動均衡策略，即利用電池組（數量N個單體）的電能對其中某幾個單體（數量n個單體）進行同時補充電的策略，整數n

（2）測量反饋部分，負責均衡電流的測量反饋，由采樣電阻R2、差比例分放大電路、及RC濾波電路構成，采用差分比例放大電路能有效地消除對地寄生電阻及共模信號的影響，保證測量的準確性，并將電流信號放大10倍后傳輸給MCU的Iv腳。測得主線圈電流Iz次級線圈電流為Ix，電壓為Vx，同時均衡的單體個數為n，根據能量守恒原理，忽略回路的耗散損耗，均衡能量：

VDD*Iz=

均衡充電時Vx等于單體電芯兩端電壓Vcell，從而可以求出各單體平均電壓Vavg和平均電流Iavg。MCU根據各單體電池SOC或SOB及其極差大小動態調整CtrZ的PWM占空比，從而調整了主線圈電流Iz和單體均衡充電電流Iavg，如果極差較大則會按照設定比例提高均衡電流，由于均衡各個單體電池SOC或SOB逐漸接近，通過調整占空比逐漸減小均衡電流的方式，達到高效和精準地控制單體一致性的效果。

（3）均衡充電部分，負責對單體鋰電池進行均衡充電，采用繼電器和大電流1045低導通壓降肖特基二極管D1n并聯組成同步DC/DC降壓充電電流開關，TVS穩壓管Dzn、Dxn與D1n起到同步PWM及繼電器開關信號啟、停時刻的抗峰與續流作用。采用低內阻（<5毫歐）繼電器Kn來作為主電流通路以去除二極管的導通耗散功耗，從而減少回路的能量耗散浪費，使得絕大部分電流都不經過D1n，在D1n上的損耗幾乎為0，為大電流均衡充電提供低溫低耗散、高能量利用率的硬件支持。同時還避免了利用晶體管控制開關均衡傳統方案的控制電壓匹配問題、晶體管傳導干擾問題及失效缺陷，并大大簡化了電路布線要求。

1.2 均衡啟停及電壓測量時序設計

為了簡化電池組的接線操作，單體電壓采樣線與均衡電流回路線共用，為了避免有電流通過時產生壓降造成采樣誤差，于是采用均衡與采樣交替進行的控制策略，調試過程如下圖2所示，均衡PWM信號如探頭2，具有固定頻率，而電壓采樣在探頭1波形的波谷段，即PWM停止段。探頭1為單體電芯均衡時的電壓波動曲線，探頭2為PWM控制信號，PWM開啟時段與停止時隙間隔須根據電池的極化特性及線圈電感值來調試和設置，考慮在線圈電流趨于0時應開啟一個新時段的PWM均衡充電或關閉繼電器停止均衡，避免電流通過繼電器反流到線圈而導致電芯放電。均衡開啟時，電流根據各單體SOC或SOB及其極差大小逐漸上升到一個設定的比例值，避免產生電流尖峰損害電池。單體電壓可在啟動PWM前20微秒內進行采樣5次，去除最高和最低的1次后求平均值得到。

圖2 均衡充電電壓波形與PWM控制信號時序圖

1.3 具體實施方式及控制流程

（1）電池組開始初始標定，滿充單體電芯，MCU監測單體電芯的空載電壓。

（2）電池組0.2C恒流放電，檢測電流及檢測單體電池放電瞬間帶載電壓，計算并記錄單體電池內阻DCR，每當放電瞬間且電流大于等于0.1C時，根據單體電池放電前電壓和放電后瞬間電壓之差ΔV/電流I=單體電池內阻DCR。

（3）每隔一段時間記錄單體電池電壓及容量，測得放電時刻電壓Vdx，去除內阻分壓來計算空載特征電壓Vdkx，通過“實時電流I-時間Δt”數據積分計算已放電容量Cd，SOC%=1-Cd/C，直到放電完畢（此時電池容量C=Cd），構建單體電池放電SOC%-Vdkx曲線數據模型，如圖3所示。

圖3 SOC及SOB百分比-空載特征電壓 曲線模型圖

（4）電池組開始充電，每隔一段時間記錄單體電芯電壓及容量，測得充電時刻電壓Vcx，去除內阻分壓來計算空載特征電壓Vckx，通過“實時電流I-時間Δt”數據積分計算已充電容量Cc，SOB%=1-Cc/C，直到充電完畢（此時電池容量C=Cc），構建單體電池充電SOB%-Vckx曲線數據模型;如圖3所示，電池組初始數據標定完畢。

（5）正常使用，測量計算單體電池內阻DCR及放電容量，測量單體電池電壓，并去除內阻分壓來計算空載電壓。

（6）當電池組放電到設定容量百分比包含靜止狀態時、空載電壓Vdkx極差大于20mV且系統未出現異常失效狀態的情況下開啟均衡，對空載電壓最低的n個單體電池進行充電，MCU根據各單體電芯SOC及其極差大小動態調整CtrZ端的PWM占空比，從而調整了單體均衡充電電流，直到空載電壓達到平均值，判斷單體電池空載電壓極差是否小于設定值，否則繼續均衡，是則停止均衡，直到放電完畢。

（7）電池組開始充電并測量計算充電容量，測量單體電池電壓，并去除內阻分壓來計算空載電壓。

（8）當電池組充電到設定容量百分比、空載電壓Vdkx極差大于20mV且系統未出現異常失效狀態的情況下開啟均衡，對空載電壓最低的n個單體電池進行充電，MCU根據各單體電芯SOB及其極差大小動態調整CtrZ端的PWM占空比，從而調整了單體均衡充電電流，直到空載電壓達到平均值，判斷單體電池空載電壓極差是否小于設定值，否則繼續均衡，是則停止均衡，直到充電完畢。

（9）均衡停止策略，當出現溫度保護、電池故障失效、空載電壓達到平均值、極差小于設定值（如：10mV）、關機或休眠時關閉均衡。

2.總結

本文設計的一種鋰電池組動態調整型主動均衡方法具有速率高、準確性高、能量利用率高、性能可靠、功能實用等特點，在國光集團下屬廣東國光電子有限公司實際應用效果良好，特別是適合電動汽車、儲能電站等高容量、高能效比、高可靠性應用需求的環境，并且真正做到電芯電能取長補短和高效利用，有效提高電池組壽命，減少了能量的耗散浪費，符合國家節能環保的戰略方針。這種方法的缺點是成本比傳統均衡方案略微增加。

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