大容量電池組在線均衡器設計

文/馬齊林

電池組的一致性是電池串聯成組最為關注的問題之一。無論哪種電池類型，其單體電池的電壓和容量都無法滿足電動汽車的需求，為了達到一定的電壓、功率和能量等級，必須通過串并聯的方式組成電池組為電動汽車提供能量。然而實踐發現，即使電池成組經過了嚴格的篩選，在實際使用時，電池組在容量利用、安全性以及壽命等方面的性能依然遠不及單只電池，其核心問題在于電池組的不一致性。由于不一致性的存在，電池成組應用存在類似于木桶短板效應的問題；同時不一致性對電池組的壽命和可靠度具有重要影響，電池在線均衡問題亟待解決。

1 均衡系統總體設計

均衡系統采用模塊化的設計思路，如圖所示。主控模塊為電池管理主控制器，主要功能是收集各個從控模塊采集的數據，電池剩余容量（SOC）的計算，系統電壓、電流的采集，系統邏輯控制及完成與車輛上其他設備之間的通信。從控模塊，主要完成電池箱內單體電池電壓，溫度的采集和均衡功能。如圖1所示。

均衡系統工作過程中均衡模塊通過檢測電路采集電池組信息，對電池組電壓進行，然后完成系統的均衡控制。

均衡模塊主要完成的功能有：

（1）電池電壓的檢測；

（2）電池溫度的檢測；

（3）電池組均衡控制；

（4）與主模塊進行通信；根據均衡系統的功能需要，設計均衡模塊硬件電路的框架如圖2所示。

3 均衡電路設計

3.1 被動式均衡設計

被動式均衡設計的關鍵問題之一是均衡電流受到限制。通過電路設計并進行測試，驗證電阻發熱情況。均衡部分基本電路結構參見圖3。

綜合考慮車輛空間和均衡電流，電阻參數：

圖1：均衡系統整體結構

圖2：均衡模塊電路框架

電阻額定功率：1 瓦

電阻阻值：100 歐姆

測試條件如下：

電池電壓：3.7V

環境溫度：65℃

BMS 狀態：殼體封閉狀態

溫度測量點：均衡電路表面

溫度測量方式：溫度探頭

測試完成判據：連續10min 溫度無增加

電池溫升：11℃。這幾乎達到了電動汽車使用的極限。通過與上述車輛匹配考慮，被動式均衡方案可以用于100Ah 以下的乘用車，但是不適用于容量再大的商用車，除非電池的一致性和電池系統的一致性做的更好。

3.2 主動式均衡設計

3.2.1 主動式均衡電路拓撲選擇

基于容量和能量的均衡控制策略與基于電壓一致性的均衡電路存在差異，在均衡時，可能并非對電壓最低的電池進行充電或者對電壓最高的電池進行放電，而是基于需要均衡的容量決定需要均衡的電池，所以開關電容等基于電壓的均衡電路拓撲并不適用。大容量商用車電池的特點是電池放置較為分散，所以通過能量在本箱內電池互倒的方式并不能解決箱與箱之間電池不一致的問題，所以本報告采用車輛輔助12V/24V 電池作為公共直流母線的方式實現電池組的均衡?；倦娐吠負鋮⒁妶D4。

該電路拓撲主要包括3 個部分：

（1）前端隔離DC/DC：出于安全的考慮，電動汽車上動力電池與車載輔助電池之間屬于隔離的系統，因此，均衡設備需要滿足該要求。該DC/DC 主要實現隔離功能，工作在開環狀態，以固定的占空比和頻率工作，輸出電壓隨供電電源的變化而變化。

（2）中間恒流源模塊：由于電池均衡過程中需要控制均衡電流的大小，因此在前端DC/DC 之后增加恒流源模塊。該模塊支持寬電壓輸入，解決前端輸出電壓不穩的問題，輸出為恒流限壓工作模式，可防止電池過充電。

（3）開關整列：如果給每個電池提供一個獨立的均衡電源，則一方面均衡器的體積、成本等都很難滿足車輛空間的要求，另一方面并非所有電池都需要均衡，所以每個電池配置一個均衡電源利用率也較低，因此本方案設計采用一個均衡電源為多個電池實施均衡的方案，確定那只電池需要進行均衡時，將對應的電池通過開關整列將電池與恒流源連接，實施均衡。

3.2.2 隔離DC/DC 的設計

隔離DC/DC 的電路原理圖參見圖5。

主電路部分：采用單端正激電路。詳細原理參見附件A。變壓器的選擇原邊采用2 個繞組，分別對應12V 和24V，滿足不同輔助電平要求。

驅動電路部分：本電路通過調整電阻和電容的時間常數，實現開關頻率和占空比的調整。然后利用反相器并聯的方式增加驅動能力和提高波形質量，最后采用推挽式電路再次提高驅動能力和電平變換，驅動MOSFET 開通和關斷，實現能量變換。

3.2.3 恒流源設計

恒流源的設計采用非隔離BUCK 降壓電路，利用Linear 的集成電源芯片LT1050，開關頻率500kHz，輸入電壓范圍8.2V～20V。該芯片可實現恒壓恒流輸出控制，恒流源電路原理圖參見圖6。通過調整R1 可實現輸出電流的調整，輸出電流等于4930/R1,A 輸出電壓限制值由R7 和R8 對輸出電壓分壓后與2.465V比較得到。當分壓比低于2.465V，則工作在恒流模式，反之則工作在恒壓模式。輸出D3采用肖特基二極管，一方面防止電池電壓反灌入恒流源前端，另一方面降低線路壓降。Q2采用與恒流源相同的電壓進行驅動，防止系統下電后電池被R7 和R8 放電。

3.2.3 開關陣列設計

開關陣列采用上圖所示的電路?；驹硎牵寒斝枰獙﹄姵? 進行均衡的時候，閉合開關S1 和S2，當需要對電池2 進行均衡的時候，閉合開關S2，S3?？梢奡2 可以被電池1和電池2 復用，從而減少開關數量。但是當電池1 接入的時候S2 后端為正極，而S2 接入的時候S2 后端為負極，所以不能直接與恒流源接口，需要S13～S16 對電池極性進行調整。當基數編號電池需要進行均衡的時候，切入電池對應的開關外，需要斷開S14 和S15，閉合S13 和S16，反之則斷開S13 和S16，閉合S14 和S15。

4 總結

電池在線均衡系統一方面要通過合理的優化電池系統設計，特別是熱場分布一致性設計，來緩解電池之間差異性的退化速度，另一方面需要選擇高效的均衡策略，提高均衡控制系統的高效性和降低均衡總容量；最后能依據電池技術的現狀、電動汽車和儲能系統的實際運行狀況，合理的選擇均衡系統的均衡電流。電池均衡系統通過對電池組內的個別存在差異性的電池進行額外的充電或者放電，改變電池之間的SOC 狀態，實現優化匹配，提高電池組的一致性，從而提升電池組的容量和能量利用率。

圖3：被動式均衡電路

圖4：主動式均衡電路拓撲

圖5：隔離DC/DC 電路原理圖

圖6：恒流源原理圖