三元鋰電池電壓被動均衡維護方案研究

趙 權，周 琰，趙 勝，李霞林，魏 瑋

應用研究

三元鋰電池電壓被動均衡維護方案研究

趙 權，周 琰，趙 勝，李霞林，魏 瑋

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

為改善三元鋰電池系統串聯電池的一致性，提出了一種電壓被動均衡維護方案，通過脈沖控制設計，使電壓均衡和電壓采樣解耦，規避均衡帶來的不利影響，同時設計兩種維護場景，提供更全面的均衡維護保障。

三元鋰電池 被動均衡 脈沖控制

0 引言

在我國低碳政策引導下，鋰電池在軍用和民用綠色動力能源、儲能方面成為了新能源的焦點。其中，三元鋰電池因高能量密度、大功率持續放電性能強[1]等優勢在無人航行器領域獲得了大量應用。鋰電池系統使用電池串聯—并聯結構，提高電壓等級和能量。多個并聯電池分支互為能量冗余，每一支路使用單一串聯模型利于單體電池的可測性和維護性，電池均衡也在串聯結構中實現。

目前，電池均衡按照能量處理方式可分為主動均衡[2-3]和被動均衡[4-6]。主動均衡為能量轉移方式，通過外圍電路將高電壓電池能量轉移到低電壓電池；被動均衡為能量耗散式均衡，是將高電壓電池能量釋放到低電壓電池的電壓水平。主動均衡效率高，能量利用率高，但電路結構復雜，可靠性低[3]，因此被動均衡在實際應用中占據了重要的位置。主動均衡和被動均衡目前由于技術局限性，均以電壓一致性為目標，因為電池內阻和線阻的存在，電池均衡時會將上述參數的電壓損失耦合到電池電壓采樣中，進而破壞電壓均衡基準。

本文提出了一種控制方案通過脈沖控制解除電壓均衡和電壓采樣的不利耦合，同時為提高均衡維護能力，設計了兩種維護場景/時機，更全面的保障電池性能。

1 被動均衡原理和不利耦合

1.1 被動均衡原理

圖1 被動均衡放電電路

電池被動均衡通過電池單體旁聯電阻進行放電，在充電時表現為減少充電電流。

如圖1所示，C2和C1分別是一個電池的高低電位點。當電池電壓較高時，S2輸出低電平，控制MOS管Q2C開通，電池通過R2M放電或分擔充電電流，從而達到電壓均衡目的。

1.2 被動均衡與采樣的不利耦合

理論上電池電壓均衡和電池電壓采樣可以同步，但在實際應用中，因為電池內阻、線阻因素，電池均衡載荷對電壓采樣產生了不利影響。

圖2 單一電池均衡和采樣耦合

當考慮單一電池均衡時，如圖2所示，在基位電池Battery2的均衡和采樣耦合模型中，r20和r21為電池內阻，rm1和rm2為采樣電路和均衡電路公共線路阻抗。由于均衡載荷（方向如箭頭指向）經過公共線路會在r20、r21和rm1、rm2上產生電壓損失，導致SC1電位點偏高，SC2電位點偏低，使得電池電壓采樣數據（SC2-SC1）偏低。單邊SC1作為低端相鄰電池的高電位點，其偏高也將使低端相鄰電池電壓采樣數據偏高；單邊SC2作為高端相鄰電池的低電位點，其偏低也將使高端相鄰電池電壓采樣數據偏高。在這種情況下，均衡控制效果將極大偏低于目標。

當考慮相鄰電池同時開啟均衡時，電路狀態與電池均衡載荷相關，如圖3所示。

1）當相鄰電池均衡載荷大于基位電池均衡載荷時，高端和低端相鄰電池均衡載荷方向為逆時針，電池內阻和線阻表現為電壓損失，使得電壓采樣數據偏低；基位電池載荷模型中，線阻表現為電壓增益，電池內阻表現為電壓損失，電壓采樣數據變化方向由增益、損失兩者中的最大者決定。

2）當相鄰電池均衡載荷等于基位電池均衡載荷時，基位電池雙邊線路阻抗rm1和rm2上無載荷。高端和低端相鄰電池均衡載荷方向仍為逆時針，電池內阻和線阻表現為電壓損失，使得電壓采樣數據偏低；基位電池由于電池內阻上的電壓損失，同樣使得電壓采樣數據偏低。

3）當相鄰電池均衡載荷小于基位電池均衡載荷時，基位電池均衡載荷方向為逆時針，內阻和線阻表現為電壓損失，使得電池采樣數據偏低；高端相鄰電池低電位邊線阻rm2表現為電壓增益，電池內阻r30、r31和線阻rm3表現為電壓損失，低端相鄰電池高電位邊線阻rm1表現為電壓增益，電池內阻r10、r11和線阻rm0表現為電壓損失，高端和低端相鄰電池采樣數據變化方向由各自負載回路增益、損失兩者中的最大者決定。

圖3 相鄰電池與基位電池的電池均衡和采樣耦合

其他如高端相鄰電池均衡載荷較大而低端相鄰電池均衡載荷較低的情況可以同理分析，與電池電壓采樣同樣產生不利耦合。

2 被動均衡維護方案

2.1 被動均衡脈沖控制方案

電池均衡以電池電壓采樣數據為基準數據，而電池均衡帶來的不利耦合將降低基準數據的準確性，并最終影響均衡效果。

為避免均衡帶來的不利耦合，需要消除均衡和采樣電路耦合部件，即電池內阻、線阻。線阻耦合可以通過使用獨立的采樣線從電池極耳處直接引出的方式進行消除；但電池內阻通過電池材料和結構優化只能減小，無法避免，因此從耦合部件方面進行處理無法解決問題。

利用時間分離原理，將電池均衡和電池采樣分配不同的碎片時間。在均衡電路的MOS管柵源端，使用脈沖進行控制。脈沖高電平時，MOS管開通，均衡開啟；脈沖低電平時，MOS管關斷，均衡關閉，并在此段時間進行電池采樣。調節脈沖占空比即可控制電池均衡速率。

由于電池均衡和電池采樣分別使用脈沖的高電平段和低電平段，工作時間不重疊，因此在時間線上解除了耦合，保證了電池均衡和電池采樣的宏觀兼容。

圖4 均衡控制時序

2.2 均衡維護時機/場景

通常電池均衡跟隨電池充電任務一起進行。在充電過程中，通過識別電池組各電池單體電壓狀態，決策是否開啟均衡。由于被動均衡是能量消耗型，在充電結束后，開啟均衡等于消耗電池能量，會降低后續作戰任務保障性，所以充電任務結束，均衡也便結束。

在實際應用中，充電時間作為一個性能要求，當電池一致性較差時，很可能因為充電時間限制，無法達到均衡目標。因此，除充電均衡外，還應設計一個獨立的電池維護任務場景。

均衡根據設計場景分為充電均衡和待機均衡：

1）充電均衡，隨充電進行，為兼容充電和均衡，在充電時間限值下，達到電池組充滿條件，并接近（可能完成）均衡目標；

2）待機均衡，在日常維護（無作戰任務）時進行，此時電池動力負載為0，開啟均衡將高電壓電池的能量進行泄放，整個均衡過程中，只有內部均衡載荷。

圖5 被動均衡維護場景設計

3 結論

本文針對三元鋰電池，介紹了電壓被動均衡原理，詳細分析了被動均衡和電池電壓采樣的不利耦合因素，在此基礎上，提出了一種脈沖控制方案進行時間解耦，此外，為改善均衡能力設計局限，明確了兩種均衡維護場景，更全面地保障電池一致性。本文提出的均衡維護方案技術可行，應用性強，具有較強的參考意義。

[1] 殷志剛, 王靜, 曹敏花. 鎳鈷錳三元電池與磷酸鐵鋰電池性能對比[J]. 電池工業, 2021, 25(3): 136-142.

[2] 翟二寧, 滑娟, 崔曉宇, 等. 動力電池組主動均衡系統設計與實現[J]. 電源技術, 2020, 44(2): 249-252.

[3] 孫煒煊. 電動汽車動力電池組主動均衡策略研究[D]. 西安: 長安大學, 2019.

[4] 劉威, 王友仁, 許煜辰, 等. 基于自適應選擇主被動均衡拓撲的機載鋰電池電源能量均衡方法[J]. 儀器儀表學報, 2022, 43(2): 244-252.

[5] 王青山, 周德維, 許陽, 等. 一種船用BMS被動均衡控制電路:CN202011055114.8[P]. 2021-01-05.

[6] 胡亮, 王翰超, 王云, 等.一種新能源汽車電池管理系統被動均衡的方法及系統:CN202010505834.3[P]. 2020-10-20.

Study on the passive voltage equalization maintenance for ternary lithium battery

Zhao Quan, Zhou Yan, Zhao Sheng, Li Xialin, Wei Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP23

A

1003-4862（2023）09-0018-03

2022-08-22

趙權（1993-），男，工程師，研究方向：電源控制系統。E-mail：1318609555@qq.com