鋰離子電池的均衡控制綜述

（易事特公司新能源部）

0 引 言

鋰離子電池已廣泛用于便攜式電子產(chǎn)品（如手機(jī)、筆記本電腦、攝像機(jī)）和電動(dòng)車電源。供電電源通常由多個(gè)單體電池串聯(lián)組成，以滿足設(shè)備所需電壓和功率要求。在實(shí)際使用中，由于單體電池之間的差異，電池組的容量受限制于最弱的電池的容量。在串聯(lián)電池組中，雖然通過單體電池的電流相同，但是由于其容量不同，電池的放電深度也會(huì)不同，容量大的總會(huì)淺充淺放，而容量小的總會(huì)過充過放，這就造成容量大的衰減緩慢、壽命延長，容量小的衰減加快、壽命縮短，兩者之間的差異會(huì)越來越大，因此小容量電池的失效會(huì)導(dǎo)致電池組的提前失效［1］。

1 鋰離子電池均衡的必要性

在串聯(lián)的電池系統(tǒng)中，不論是充電還是放電，電池單元的工作電流都是相同的。但是由于電池個(gè)體之間內(nèi)部特性差異、工作溫度和循環(huán)使用次數(shù)的不同，表現(xiàn)出來的電池行為也會(huì)有所區(qū)別。一般來說，電池行為出現(xiàn)差異的主要原因有兩種：一是內(nèi)部阻抗的改變，二是由于電池老化而造成的容量減少。不管是由于哪種原因，出現(xiàn)行為差異的電池在電池組充電的過程中，發(fā)生過充現(xiàn)象的可能性是最大的。容量減小或者內(nèi)部阻抗變大的電池在充放電過程中，電壓變化會(huì)比正常的電池更明顯。放電時(shí)，它的電壓下降比其他電池單體更快；而充電時(shí)，電壓上升也是最快的。

在充放電過程中，鋰離子電池組中各單體電池之間存在不一致性，連續(xù)的充放電循環(huán)導(dǎo)致的差異，將使某些單體電池的容量加速衰減，串聯(lián)電池組的容量由單體電池的最小容量決定，因此這些差異將使電池組的使用壽命縮短。

通常把因單體電池的性能差異而導(dǎo)致的電池組性能降低的現(xiàn)象稱為電池匹配失衡。電池匹配失衡主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：電池荷電狀態(tài)失衡和電池容量或能量的失衡。采用電池均衡處理技術(shù)便可解決以上兩種失衡問題，從而改進(jìn)串聯(lián)電池組的電性能。電池荷電態(tài)失衡需在電池組初次充、放電時(shí)進(jìn)行均衡調(diào)整電池，此后只需在充電期間進(jìn)行均衡即可，而容量或能量失衡則必須在充、放電過程都進(jìn)行均衡。

2 鋰離子電池的均衡方法

目前鋰離子電池組均衡控制的方法，根據(jù)均衡過程中電路對(duì)能量的消耗情況，可分為能量耗散型和能量非耗散型兩大類。能量耗散型是將多余的能量全部以熱量的方式消耗，非耗散型是將多余的能量轉(zhuǎn)移或者轉(zhuǎn)換到其它電池中，由于轉(zhuǎn)換效率一般都在85%～95%之間，因此這種方式也會(huì)消耗5%～15%的能量。

（1）能量耗散型

能量耗散型是通過單體電池的并聯(lián)電阻進(jìn)行充電分流從而實(shí)現(xiàn)均衡，這種電路結(jié)構(gòu)簡單，只將容量高的單體電池的能量消耗，均衡過程一般在充電過程中完成，對(duì)容量低的單體電池不能補(bǔ)充電量，存在能量浪費(fèi)和熱管理的問題。

能量耗散型一般可分為兩種類型，一是恒定分流電阻均衡充電電路，即每只單體電池都始終并聯(lián)一個(gè)分流電阻［2］，如圖1所示。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，缺點(diǎn)是無論電池處于充電還是放電過程，分流電阻始終消耗功率，因此一般應(yīng)用在能量充足、可靠性要求高的場合，如衛(wèi)星電源等。

圖1 恒定分流電阻均衡電路

二是開關(guān)控制分流電阻均衡充電電路，如圖2所示，分流電阻通過開關(guān)控制，在充電過程中當(dāng)單體電池電壓達(dá)到截止電壓時(shí)開始均衡，有最大單體電池充電電壓和電池組平均電壓兩種控制策略。這種均衡電路工作在充電期間，特點(diǎn)是可以對(duì)充電時(shí)單體電池電壓偏高者進(jìn)行分流，缺點(diǎn)是由于均衡時(shí)間的限制，分流時(shí)產(chǎn)生的大量熱需要管理，尤其在容量比較大的電池組中。

圖2 開關(guān)控制分流電阻均衡電路

（2）能量非耗散型

能量非耗散型電路的耗能比能量耗散型要小，但電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，可分為能量轉(zhuǎn)換式均衡和能量轉(zhuǎn)移式均衡兩種。

能量轉(zhuǎn)換式均衡是通過開關(guān)信號(hào)，將鋰離子電池組整體能量向單體電池進(jìn)行補(bǔ)充，或者將單體電池能量向整體電池組進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。其中單體電壓向整體電壓轉(zhuǎn)換一般都是在電池組充電過程中，電路如圖3所示［3］。該電路是通過檢測各個(gè)單體電池的電壓值，當(dāng)單體電池電壓達(dá)到一定值時(shí)，均衡模塊開始工作。把單體電池中的充電電流進(jìn)行分流從而降低充電電壓，分出的電流經(jīng)模塊轉(zhuǎn)換把能量反饋回充電總線，達(dá)到均衡的目的。

圖3 單體電壓向整體電壓轉(zhuǎn)換電路

電池組整體能量向單體轉(zhuǎn)換，一般根據(jù)均衡發(fā)生的過程不同分為兩種，一種是發(fā)生在充電過程中，電路如圖4所示，這種方式也稱為補(bǔ)充式均衡，即在充電過程中首先通過主充電模塊對(duì)電池組進(jìn)行充電，電壓檢測電路對(duì)每個(gè)單體電池進(jìn)行監(jiān)控［4］。均衡模塊中的充電電壓經(jīng)過一個(gè)獨(dú)立的DC／DC變換器對(duì)電池組主充電，均衡模塊中充電電壓經(jīng)過一個(gè)獨(dú)立地AC／DC變換器和一個(gè)同軸線圈變壓器，給每個(gè)單體電池上增加相同的次繞組。這樣，單體電壓高的電池從輔助充電電路上得到的能量少，而單體電壓低的電池得到的能量多，從而達(dá)到均衡的目的。這種均衡方式的問題在于次繞組的一致性很難控制，而且同軸線圈也存在一定的能量耗散，而且這種方式的均衡只有充電均衡，對(duì)于放電狀態(tài)的不均衡無法作用。

圖4 補(bǔ)充式均衡電路

圖5 開關(guān)電容式均衡

能量轉(zhuǎn)移式均衡是利用電感或電容等儲(chǔ)能元件，把鋰離子電池組中容量高的單體電池，通過儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移到容量比較低的電池上，如圖5所示。該電路是通過切換電容開關(guān)傳遞相鄰電池間的能量，將電荷從電壓高的電池傳送到電壓低的電池，從而達(dá)到均衡的目的。另外也可以通過電感儲(chǔ)能的方式，在相鄰電池間進(jìn)行雙向能量傳遞。此電路的能量損耗很小，但是均衡過程中必須有多次傳輸，均衡時(shí)間長，不適于多串的電池組。改進(jìn)的電容開關(guān)均衡方式將電壓高的單體電池的能量直接轉(zhuǎn)移到電壓低的單體電池上，而不用通過整個(gè)電池組依次轉(zhuǎn)移，使均衡效率提高。

3 鋰離子電池均衡電路的發(fā)展趨勢

鋰離子電池組在不同領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化，對(duì)均衡電路的要求也越來越高，今后的發(fā)展趨勢如下：

（1）不論是能量耗散型均衡電路還是非耗散型均衡電路，減小能量消耗成為目標(biāo)。目前各種方法中，能耗最小的約為轉(zhuǎn)換能量的15%左右，減小能量消耗不僅可以節(jié)約能源，還可以減少發(fā)熱量。

（2）在實(shí)際應(yīng)用中，生產(chǎn)廠家希望應(yīng)用到設(shè)備中的均衡電路體積小、電路簡單、成本低。目前均衡電路在管理系統(tǒng)中的體積占到一半以上，如何減少均衡電路的體積和成本成為了研究的重點(diǎn)。

（3）均衡電路的設(shè)計(jì)適用性強(qiáng)，可以對(duì)不同串?dāng)?shù)的電池組進(jìn)行均衡。由于使用中根據(jù)實(shí)際需求，需要將電池組進(jìn)行不同串并聯(lián)組合，因此均衡電路的可級(jí)聯(lián)性將成為很重要的因素。

（4）均衡電路也朝著快速、高效的方向發(fā)展，希望縮短均衡時(shí)間。實(shí)際應(yīng)用中，均衡時(shí)間和電路的體積需要合理的分配。

（5）根據(jù)電壓的均衡方式和根據(jù)容量的均衡方式相結(jié)合。

［1］ 邊延凱，賈瑞慶，田 爽.鋰離子電池組的均衡控制與設(shè)計(jì)［J］.東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（2）：69－72.

［2］ 雷 娟，蔣新華，解晶瑩.鋰離子電池組均衡電路的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.電池，2007，vol.37（l）：62－63.

［3］ Stephen T.Hung，Douglas C.Hopkins，Charles R.Mosling.Extension of Battery Life via Charge Equalization Control［C］.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，1993，40（1）：96－104.

［4］ Lee Y S，Chen G T.ZCS bi－directional dc－to－dc converter application in batter y equalization f or electric vehicles［J］.Power electronics specialists conference，2004，4：2766－2772.