鋰電池均衡電路的研究

安徽理工大學電氣與信息工程學院 付 望

鋰電池在經過長時間的技術發展，以及世界各國對環境保護概念的重視，鋰電池逐漸被世界各國重視并廣泛應用，比如現階段國家大力發展的純電動汽車，以及應用在其他生活生產的儲能設備中。鋰電池組是由電池單體組合而成，而在生產過程中，各電池單體容量在一定范圍內存在一定差異，這便約束了鋰離子電池的大規模應用，而通過均衡電路則可以有效的解決電池單體容量差異的問題，如何使鋰電池組得到均衡控制是目前研究難點之一。因此對鋰電池均衡電路進行探究也更有意義。

鋰離子電池作為新型電池，相對傳統電池具有自放電率低，循環充放電次數多，單體工作電壓高，在較大的溫度變化范圍內正常工作，不存在記憶效應等特點，因而鋰離子電池更容易成為儲蓄動力電池的最佳選擇。鋰電池技術經過長時間的發展越來越完善，大規模鋰電池組的應用也越來越廣泛，在電動汽車，儲能等領域成為最佳選擇之一。而單體鋰電池在生產過程中存在差異，以及在使用過程中又加大了單體電池的差異性，所以，要實現大規模鋰離子電池的廣泛應用，電池組的有效均衡控制是目前的關鍵技術之一。因此，深入研究鋰電池均衡電路以及均衡控制策略具有重要的意義。

1 鋰電池技術

近年來能量可以以多種方式儲存，但是對于大多數應用設備來說，最好的選擇是鋰電池，因為它攜帶方便，污染小。此外，鋰電池供電的電子設備已經逐漸成為現代社會生活的必需品。鋰電池可以用于小型應用，例如移動電話、電動車，也可以用于大型設備，例如電力網絡，因為它高效且穩定。除了安全，使用鋰電池作為儲能設備還需考慮日常維護和電池的使用壽命。

1.1 電池模型

創建一個鋰電池的精準模型，能達到對鋰電池更有效地利用。在如今的發展中，有三種建模模型。三種模型是電化學模型、數學模型和電路模型。

電化學模型是基于電池內部發生的化學過程，并詳細解釋了這個過程。細節越多，模型越復雜。這種模型需要結合很多數學公式，涉計高等數學中的高階偏微分方程，常微分方程，常規的處理需要進行簡化降階方程式，減少模型的復雜度，這樣在確保模型精準度的前提下，又增加了大量的工作量。

另一個模型是數學模型，該模型通過數學方式表達過于抽象化，無法在現實中實現，但對于專業設計人員在預測系統行為(如電池壽命預測、電池效率或容量)時采用經驗方程或數學模型非常有用。但是該數學模型不能提供重要的伏安信息，這是電路模擬和優化所需要的。數學模型分為幾個模型，即：Peukert定律，它是一種通過考慮電池的部分非線性特性來預測電池壽命的模型；Rakhmatov Vrudhula模型，通過解釋電池活性材料中的擴散過程發展了Peukert定律動力電池模型，利用電池動力內部的化學過程。

電路模型的精度水平介于電化學模型和數學模型之間，該模型是一個使用電壓源、電阻和電容等組合的電池等效電路模型，這種模型對于設計和模擬電氣系統電路非常重要。

1.2 鋰電池均衡技術

不同設備需要不同電壓與容量，單體鋰電池的電壓與容量相對較小，而通過簡單的串并聯電路可以滿足不同設備的電壓與容量的需求。在鋰電池的生產過程中，需要多種化學材料以及多重化學工藝，這些不可避免的狀況使各單體電池從出廠時就有參數差異。在電池經過長時間的使用下，各單體的容量、實際電壓值、自放電率等都會出現差異性，且隨著循環使用次數的增加加大了個體的差異性，最終導致電池壽命的縮減，電池組出現離散現象。根據“木桶效應”，電池組的容量決定因素是由容量最低的單體電池，最低容量的單體電池導致整個電池組容量的降低。而電池組通過設計均衡電路以及控制策略，均衡電路能通過控制策略對各電池單體進行控制調節，從而在應用過程中，電池組的容量能夠在一定范圍內達到一致，提高電池組整體的儲能容量。

2 均衡電路拓撲結構與控制策略

目前均衡技術主要包括均衡拓撲方式和均衡控制策略兩方面。可以將均衡拓方式分為兩類：主動均衡和被動均衡。

2.1 被動均衡

被動均衡是通過加入電阻來改變電池單體間電流的大小，從而達到控制各單體電池容量差的目的。這種控制方式結構簡單，成本較低、操作簡單，但由于以電阻耗能的形式來消耗電池單體過多的能量，可能存在散熱問題，更容易造成電池單體性能的改變，進而電池單體間的差異又進一步加大。

2.2 主動均衡

另一類為主動均衡，由于耗散型被動均衡存在的問題，提出了主動均衡的控制方式。從較高容量電池單體轉移過多的容量給較少的電池單體。通常，主動均衡電路按能量的傳輸方式不同可以分為四種：相鄰單體電路（adjacent cell-to-cell），此電路的拓撲包括開關電容拓撲、雙向C?K拓撲，準諧振拓撲，以及多個變壓器的拓撲。由于能量存儲裝置之間的能量分布可以通過控制多個并聯開關來實現，電路具有控制簡單和模塊化設計的優點。然而能量必須通過所有電池單體和拓撲中的平衡電路，所以效率很低。單體—單體電路（direct cell-to-cell），相關拓撲包括開關電容拓撲、開關電感拓撲、以及準諧振拓撲，其優點包括消除耦合效應并且提高效率。然而，開關器件遭受電壓應力也增大，特別是電池組中的單元數量較多時，這也增加了此拓撲結構的成本。此外，因為一次僅均衡兩個單體電池，電壓均衡時間過長。單體—電池組電路（cell-to-pack），將單體電池的能量傳遞到整個電池組，使得每個電池可以獨立且靈活地實現電壓平衡。電路包括中提出的buck—boost分流拓撲、反激拓撲、開關變壓器拓撲以及多繞組變壓器拓撲。電路的主要缺點是需要大的磁體。以及電池組—電池組電路（multicellsto-multicells），在單個開關周期內將能量從多個電池轉移到多個電池，該拓撲實現了能量快速轉移和均衡時間較短。然而，這種拓撲需要使用多個繼電器進行能量傳輸，與場效應晶體管開關相比，繼電器體積龐大，不能用于高頻應用，預期壽命明顯低于半導體開關。

2.3 均衡控制策略

均衡控制策略的研究重點主要在均衡控制方法上，用合適高效的控制方法控制均衡電路是目前研究的難點，常用的均衡控制方式包括平均值差值控制法，模糊控制法，非線性PID控制，以及遺傳算法等。各種方法都有不同的優勢以及劣勢，在根據具體需求充分結合具體均衡電路選擇適合的控制方法，并不斷加以改進才能實現最佳控制。

結語：本文詳細介紹了鋰電池的優缺點，引出當前鋰電池的研究熱點—均衡控制電路，詳細闡述了鋰電池均衡電路的產生原因，以及現階段常見的均衡電路拓撲結構和控制策略。對進一步深入探究鋰電池均衡電路具有重要意義。