鋰離子電池組充放電均衡器及均衡策略

劉紅銳 張昭懷

鋰離子電池組充放電均衡器及均衡策略

劉紅銳1張昭懷2

（1. 昆明理工大學電力工程學院 昆明 650000 2. 昆明理工大學城市學院 昆明 650051）

提出了一種基于Buck斬波電路和Boost-Buck斬波電路的鋰離子電池組充放電均衡器。根據電池組的兩種工作狀態，采取兩種不同的均衡策略：電池組處于充電狀態時，電池組中荷電狀態最高的強單體電池被均衡放電，強單體電池的充電電流減小，而同組中的其他單體電池不受影響；電池組處于放電或靜置狀態時，電池組中最弱的單體電池被均衡充電，而同組中的其他單體電池不受影響。均衡器具有均衡電路控制簡單、易實現，被均衡的單體電池任意可選、均衡能量可雙向傳輸、均衡電流易控等優點。詳細闡述了兩種均衡控制策略的工作原理，并采用此均衡器對串聯的四個磷酸鐵鋰電池進行了充放電均衡實驗，實驗結果證明了此均衡器不僅改善了單體電池間不均衡程度，同時提高了電池組的充電容量和放電容量。

Buck斬波電路 Boost-Buck斬波電路 均衡器 均衡策略 荷電狀態 磷酸鐵鋰電池 充電容量 放電容量

1 引言

由于鋰離子單體電池的標稱電壓比較低，在3.6V左右，因此需將多個這樣的單體電池串聯使用來滿足不同的電壓需求[1-4]。對單體鋰離子來電說，過充電或過放電會導致容量降低，影響其使用壽命，甚至直接使電池損壞或引發爆炸等[5-7]。在使用過程中串聯的各單體電池之間荷電狀態或端電壓不一致的情況普遍存在，如圖1所示串聯的四個單體電池，充電過程中只要有一個單體電池被充滿或達到充電截止電壓時則充電必須停止；而在放電過程中只要有一個電池被放空或達到放電截止電壓時則必須停止放電。如果不采取均衡措施，串聯單體電池間的不均衡程度會隨著充放電循環次數的增加而加劇，電池組的充放電容量也會逐漸降低，最終使電池組提前報廢，因此需采取有效的均衡措施延長電池組的使用壽命，提高電池組的充放電容量。

圖1 串聯電池充放電示意圖Fig.1 Charging and discharging diagram of the serially connected battery cells

2 均衡策略

根據均衡電路所選用的儲能或耗能元件的不同，串聯蓄電池均衡器主要分為開關電阻分流均衡器、電容均衡器、電感均衡器、LC振蕩電路均衡器和反激式變壓器均衡器。電阻均衡器[8]利用電阻耗能發熱均衡，均衡電流很小，最大為幾百毫安，而且需要為電阻提供專門的散熱裝置。電容均衡器[9,10]是通過單體電池的電壓差進行均衡，由于單體電池間的電壓差很小，串聯鋰離子單體電池間的電壓差最大為幾百毫伏，再加上開關器件的導通壓降，因此均衡能量很難轉移，甚至無法轉移。電感均衡器[11-12]是以電感中電流的變化進行能量均衡的，均衡電流的可控性強。LC振蕩電路均衡器[13]，通過LC振蕩電路提高了電容電壓，從而彌補了單獨以電容為儲能元件的均衡方案能量轉移困難的缺陷。反激式變壓器均衡[5-6,14]的缺點是變壓器體積大、重量重，除了開關損耗，還要考慮變壓器損耗，同時反激均衡電流的可控性差。

根據被均衡的單體電池和均衡能量流向的不同，均衡策略可分為以下幾種：

（1）對電池組中端電壓或荷電狀態最高的單體電池均衡放電，能量被電阻消耗掉[8]或者返回電池組[14]。這種均衡策略只能用在電池充電過程中，且均衡能量是單向的，即只能由被均衡的單體電池放出。

（2）在電池充放電過程中，均衡能量只能在相鄰單體電池間轉移的均衡策略[9,11,15]。這種能量迂回的均衡策略對不需要均衡的單體電池也進行多次充放電，一方面影響電池的使用壽命，另一方面均衡速度低，開關損耗大。

（3）在電池充放電過程中，能量由電池組中端電壓或荷電狀態最高的單體電池向最低的單體電池轉移的均衡策略[13]。在均衡時，強電池的放電開關和弱電池的充電開關要不斷切換，均衡損耗較大，開關控制較復雜，不易實現。

（4）在電池放電過程中，對電池組中端電壓或荷電狀態最低的單體電池均衡充電的均衡策略[12]，這種均衡策略的均衡能量是單向的。

（5）文獻[5]采用的均衡策略為：電池放電時，均衡能量通過變壓器由電池組向組內端電壓最低的單體電池轉移；電池充電時，均衡能量由電池組中端電壓最高的單體電池通過變壓器向電池組轉移。此均衡策略的被均衡的單體電池可選、均衡能量是雙向的。

綜上所述，從均衡電流的可控性分析，采用電感作為儲能元件的均衡方案，其均衡電流的可控性強；從均衡策略來看，比較理想的均衡策略是第 5種，其被均衡的單體電池靈活可選、且均衡能量雙向。但第5種均衡策略，均衡時除了被均衡的單體電池，同組中的其他電池均受影響，且完成一次能量轉換時，被均衡的單體電池的電流前后變化比較大，影響電池的使用壽命。

本文提出的均衡器是以電感為儲能元件，均衡策略如圖2所示，它不同于上述第5種均衡策略。在電池充電時，對電池組中端電壓或荷電狀態最高的強單體電池均衡放電，均衡能量由此強單體電池向均衡器轉移，均衡過程中此強單體電池的充電電流減小，而同組中的其他所有單體電池不受影響，即其充電電流不變；在電池放電時，對電池組中最弱的單體電池均衡充電，均衡能量由均衡器向此弱單體電池轉移，均衡過程中此弱單體電池的放電電流減小，而同組中的其他所有單體電池不受影響；在電池靜置時，可以采用上述兩種均衡策略，但為了增加電池組的儲能，可以選用電池放電時采用的均衡策略，因此只有電池組中最弱的單體電池被均衡充電，而同組中其他電池的電流均為零。本文提出的均衡器具有以下優點：①省去了變壓器，但同時具有被均衡單體電池的可選性和均衡能量的雙向性；②均衡電流可控，且易控，即只需調節開關 PWM的占空比，就可控制均衡電流的大小；③均衡時只需對一個開關進行PWM控制，其他相關開關只需導通即可，因此開關損耗低，均衡器控制簡單，易實現。

圖2 均衡策略Fig.2 Balancing strategies

3 均衡器結構和工作原理

3.1 均衡電路拓撲結構

圖3為一個包含n個串聯單體電池的電池組均衡模塊，應用時可根據實際情況選擇單體電池的數目。均衡電路的拓撲結構如圖中虛線框所示，它由一個橋式開關矩陣（A組和B組）、電感L、兩個續流二極管 VD1和 VD2、電壓源 E以及控制電源 E通斷的電源開關M組成。由于電池采用分組均衡，因此可以選用小功率的開關器件，而小功率的電力場效應晶體管 MOSFET飽和導通電阻一般在 mΩ級，且驅動功率小，因此選用小功率的 MOS管作為電源開關M及A、B兩組開關器件。由于 MOS管寄生二極管的存在，為了防止電池短路，需串聯二極管使用。根據實際情況選擇合適容量和電壓的同類型電池的串聯作為電壓源E。

圖3 均衡電路拓撲Fig.3 Balancing circuit topology

3.2 均衡放電控制策略及工作原理

在電池組充電過程中，對組內的SOC值最高的單體電池均衡放電，其均衡能量向均衡器轉移，換句話說，在電池充電過程中通過減小高能量單體電池的充電電流的方法來提高整個電池組的充電容量。具體的控制過程和工作原理為：

假設圖4中電池Cell1的SOC值最大，當電池Cell1的放電開關B1和A2導通時，Cell1通過回路①向電感 L貯能；當 Cell1的放電開關斷開后，均衡器通過回路②將電感中的能量存儲起來。為了降低開關損耗和簡化開關控制，均衡時對處于下橋臂的開關B1進行PWM控制，而使上橋臂開關A2一直處于導通狀態。均衡電路為典型的Boost-Buck斬波電路[16]，如圖 4b所示，其中 U為單體電池電壓，均衡電路有兩種工作模式：電流連續模式和電流斷續模式；開關的驅動信號和均衡電流波形如圖 4c所示，通過調節占空比就可調節均衡電流的大小，即一個周期中轉移的均衡能量的大小。

圖4 均衡放電工作和控制原理Fig.4 Balancing working principle

3.3 均衡充電控制策略及工作原理

在電池組放電或靜置過程中，對組內SOC值最低的單體電池均衡充電，其均衡能量來自均衡器。即在電池放電過程中通過減小低能量單體電池的放電電流來提高整個電池組的放電容量；而靜置時對弱電池單獨進行能量補充，提高整個電池組的儲能。均衡電路為典型的 Buck斬波電路[16]，具體的控制過程和工作原理為：

假設圖5中電池Cell2的SOC值最小，均衡時需要使Cell2的充電開關A2和B3一直處于導通狀態，而對電源開關M進行PWM控制，當M導通時均衡器通過回路①向電感和電池Cell2釋放能量，當M斷開后電感中的能量經回路②向Cell2轉移。如圖5b所示，均衡電路為典型的Buck斬波電路。如圖5c所示，均衡過程中Cell2的充電開關A2和B3一直處于導通狀態，只需對開關M進行PWM控制，其均衡電流如圖中所示，通過調節占空比即可實現均衡電流可控可調。

圖5 均衡充電工作和控制原理Fig.5 Balancing working principle

3.4 均衡器及均衡策略的特點

一個包含n個單體電池的均衡模塊，其單體電池分別為 Cell1、Cell2、Cell3，…Cellx，…Celln，其均衡模塊有以下特點：

（1）橋矩陣電路包含的開關數目為2(n+1)。

（2）電池充電時，電池組中最強的的強單體電池向均衡器放電，假設電池 Cellx是最強的單體電池，此時只需對 Cellx的兩放電開關 Bx和 A(x+1)進行控制，使其上橋臂開關A(x+1)一直導通，而對下橋臂開關Bx進行PWM控制就可實現能量由強電池Cellx向均衡器轉移。

（3）電池放電或靜置時，均衡器對電池組中的弱單體電池充電，假設電池 Cellx是最弱的單體電池，只需控制 Cellx的兩充電開關 Ax和 B(x+1)一直導通，而對電源開關M進行PWM控制就可實現能量由均衡器向弱電池電 Cellx轉移。

4 均衡實驗

4.1 電池管理系統簡述

電池管理系統包括單體電池參數檢測、均衡管理、熱管理、數據處理及通信等功能。均衡系統是一個完整的電池管理系統不可或缺的重要部分，如圖6所示的電池管理系統，將電池進行分組管理和均衡。每組都包含一個主控器實現參數檢測和處理，然后根據各單體電池的 SOC值驅動均衡模塊中相應的開關動作。因此準確的估算SOC是確保均衡實驗順利進行的前提條件。

圖6 電池管理系統Fig.6 Battery management system

4.2 磷酸鐵鋰單體電池E-SOC曲線提取

本文采用電動勢法和安時法相結合的方法估算SOC值，而電動勢法需要提取單體電池的 E-SOC曲線。采用μc-KGCFS微電腦電池化成充放電電源對額定容量為60A·h、額定電壓為3.2V的磷酸鐵鋰電池進行E-SOC曲線提取實驗。如圖7所示，首先提取磷酸鐵鋰電池的充電SOC曲線和放電SOC曲線，然后取兩者的平均值即為 E-SOC曲線。將測得的E-SOC曲線存儲在EEPROM中，供控制器隨時讀取，以修正SOC的初始值。

圖7 磷酸鐵鋰單體電池E-SOC曲線Fig.7 E-SOC curve of LiFepo4 battery cell

4.3 均衡實驗

4.3.1 實驗設備及均衡器電路器件說明

實驗設備如圖8所示，位于圖片下半部的為鋰離子電池柜，里面包含一百個串聯的磷酸鐵鋰單體電池和電池管理系統，單體電池的額定容量為60A·h、額定電壓為3.2V。選擇其中的四個單體電池完成均衡實驗，其初始SOC值分別為39.5%、30%、30%和 20%。位于圖片右上方的柜子為 μc-KGCFS微電腦電池化成充放電電源，其直流輸出電壓 0～350V連續可調，直流輸出電流0～500A連續可調，可實現對蓄電池的恒流充電、恒壓限流充電、恒流限壓放電、靜置等。用 3個額定容量為 20A·h、額定電壓為 3.2V的磷酸鐵鋰電池的串聯作為均衡器中的電源 E，其每個單體電池的初始 SOC值均為60%。

實驗中所用的均衡器是根據6個鋰離子單體電池設計的，為了降低均衡電路的損耗而選用小功率的開關器件，其具體選型為：A組開關選用P溝道MOS管SPD50P03L，其額定電壓和電流分別為30V和50A，最大漏源電阻值為12.5mΩ；B組開關和M選用N溝道MOS管IPD135N03L，其額定電壓和電流分別為30V和30A，最大漏源電阻值為13.5mΩ；均衡模塊中的串聯二極管和兩個續流二極管選用肖特基二極管42CTQ030，其額定電壓和電流分別為30V和40A，導通壓降的最大值為0.38V。

圖8 系統實物照片Fig.8 System photo

4.3.2 充電均衡實驗

由μc-KGCFS電源提供10A的電流對四個串聯電池進行充電，當電池組的 SOC升到 80%時停止充電。均衡過程中各單體電池的SOC曲線如圖9所示，充電時間為 181min，充電結束后各單體電池的 SOC值分別為80%、79%、79%和69.5%。電源E的SOC曲線如圖 10所示，實驗結束時其每個單體電池的SOC值為64.5%。

圖9 電池充電過程中的SOC曲線Fig.9 SOC curves in battery charging

圖10 電源E的SOC曲線Fig.10 SOC curve of the power E

4.3.3 放電實驗

由 μc-KGCFS電源提供 10A的電流對四個串聯電池進行放電，當電池組的 SOC值降到 20%時停止放電實驗。均衡過程中各單體電池的SOC曲線如圖11所示，放電時間為 210min，放電結束后各單體電池的 SOC值分別為 21%、20.5%、20.5%和20%。電源E的SOC曲線如圖12所示，實驗前的SOC值為64.5，實驗結束時每個單體電池的SOC值為52%。

圖11 電池放電過程中SOC曲線Fig.11 SOC curves in battery discharging

圖12 電源E的SOC曲線Fig.12 SOC curve of the power E

4.4 實驗結果分析

四個單體電池的初始 SOC值分別為 39.5%、30%、30%和 20%，如果在充電過程中不采取均衡措施，那么當電池組的SOC值上升到80%時各單體電池的 SOC值將分別為 80%、70.5%、70.5%和60.5%，但如圖 9所示，由于在充電過程中對 1號電池采取均衡放電，因此它的SOC曲線的上升速度下降，因此充電截止時間后延，充電結束時各單體電池的SOC值分別為80%、79.5%、79.5%和69.5%，顯然采取均衡后整個電池組的充電容量顯著提高。同樣的道理，通過圖11的放電SOC曲線，可得出由于放電過程中采取對電池組中的4號弱電池進行充電的均衡策略使整個電池組的放電容量顯著提高。四個串聯磷酸鐵鋰電池經過一個充放電循環均衡實驗后各單體電池的SOC值分別為21%、20.5%、20.5%和20%，因此各SOC值已基本一致。

在充電實驗中，均衡能量由 1號電池向電源E轉移，利用1號電池和2號電池在充電實驗前后的SOC差值的變化可計算出1號電池放出的安時容量為5.1A·h，而通過圖10的SOC曲線可算出電源E吸收的安時容量為2.7A·h，從而可計算電池充電過程中均衡能量轉移效率為53%。而在放電實驗中，均衡能量由電源E向4號電池轉移，因此根據實驗結果可計算出電池放電過程中均衡能量轉移效率為68%。通過計算可知均衡能量轉移效率比較高，均衡器的損耗主要是 MOS管和二極管的損耗，可以采用軟開關技術使均衡能量轉移效率進一步提高。

5 結論

均衡器以電感為儲能元件，電池充電時采取對電池組中的強單體電池放電的均衡策略，而電池放電和靜置時采取對電池組中弱單體電池充電的均衡策略。均衡電流可控、均衡能量轉移效率高，且均衡電路控制簡單、易實現。通過對四個串聯的磷酸鐵鋰電池的充放電均衡實驗，證明了此均衡器提高了整個電池組的充電容量和放電容量。在實際使用中，為了降低開關損耗而選擇額定電壓和額定電流比較低的開關器件，因此電池組中串聯的單體電池不能太多。由于每個均衡器中的電源E是由額外的單體蓄電池串聯組成，需要為這些單體電池提供管理，在實際使用中可根據實際系統中均衡器的數目，將所有均衡器中的蓄電池進行分組管理。本均衡器可以用于電動汽車鋰離子電池的均衡管理和風光蓄電池儲能系統等的均衡管理中。

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The Equalizer of Charging and Discharging and the Balancing Strategies for Lithium-Ion Battery Pack

Liu Hongrui Zhang Zhaohuai

（Kunming University of Science and Technology Kunming 650000 China）

The charging and discharging equalizer based on the buck and boost-buck chopper circuits for lithium-ion battery pack is suggested in this paper. Two different balancing strategies are used respectively according to the different battery states. The strongest battery cell with the highest state of charge(SOC) is discharged by the equalizer in the battery charging state, its charging current is lower and the rest cells of the same pack are not affected. The weakest battery cell is charged by the equalizer in the battery discharging or static state, and the rest cells are n ot affected. The advantages of the equalizer are as follows: 1. it is simple to control the balancing circuit and easy to be realized; 2. the balanced battery cell is selectable and the balancing energy is bidirectional; 3. the balancing current is controllable. The working principle of the two balancing strategies has been described in this paper. The balancing experiment has been completed to four serially connected LiFePO4 battery cells, and the experimental results confirm that the unbalanced degree of the four battery cells has been improved, moreover the charging and discharging capacity of the battery pack have been increased.

Buck chopper circuit, boost-buck chopper circuit, equalizer, balancing strategy, SOC, LiFePO4, charging capacity, discharging capacity

TM911

劉紅銳 女，1982年生，博士研究生，研究方向電力電子與電力傳動，蓄電池管理系統。

云南省基金（KKSY201404106）資助項目。

2013-10-30 改稿日期 2014-01-16

張昭懷 男，1982年生，碩士研究生，研究方向電力電子與電力傳動。