新型鋰電池組混合均衡電路的設(shè)計(jì)

賈麗源，王成龍

（ 1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100；2.上海江南長(zhǎng)興重工有限公司，上海 201913 ）

新型鋰電池組混合均衡電路的設(shè)計(jì)

賈麗源1，王成龍2

（ 1.甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100；2.上海江南長(zhǎng)興重工有限公司，上海 201913 ）

針對(duì)鋰電池充放電過(guò)程中的不一致性，設(shè)計(jì)了一種基于能量轉(zhuǎn)移的鋰電池均衡方案，通過(guò)將多余的能量傳遞到低電量的電池中實(shí)現(xiàn)均衡。系統(tǒng)采用的是2級(jí)混合均衡方法，第一級(jí)采用的是新型電感均衡電路，第二級(jí)采用的是獨(dú)立變壓器并聯(lián)均衡電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法具有均衡時(shí)間短、效率高等優(yōu)點(diǎn)，有效解決鋰電池充放電不均衡性問(wèn)題。

不一致性；混合均衡；電感均衡；變壓器

0 引言

鋰離子電池具有電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、安全性能好、自放電性小、可快速充放電和工作溫度范圍高等優(yōu)點(diǎn)，已成為可充電電動(dòng)工具最廣泛使用的電源。由于各單體電池在生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)阻、容量等參數(shù)不一致，并且電池組在使用過(guò)程中，各個(gè)單體電池會(huì)發(fā)生一些變化，電池的各參數(shù)也會(huì)不一致。若不采取有效措施會(huì)造成單體電池過(guò)充電和過(guò)放電，嚴(yán)重影響電池組的性能及壽命。

為了解決串聯(lián)鋰電池組的充放電問(wèn)題，提高串聯(lián)鋰電池組的壽命，必須對(duì)鋰電池充放電過(guò)程進(jìn)行均衡控制。均衡技術(shù)是目前世界正在致力研究與開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)電池能量管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前均衡技術(shù)主要分為以下兩類：被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡即有損均衡，在每個(gè)單體電池并聯(lián)一個(gè)電阻分流，將容量多的電池中多余的能量消耗掉，實(shí)現(xiàn)整組電池電壓的均衡。主動(dòng)均衡即無(wú)損均衡，將單體能量高的轉(zhuǎn)移到單體能量低的，或用整組能量轉(zhuǎn)移到單體最低電池。在實(shí)施過(guò)程中需要一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，使得能量通過(guò)這個(gè)環(huán)節(jié)重新進(jìn)行分配。

針對(duì)上述問(wèn)題并結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)，本文提出了一種新型鋰電池組混合均衡電路，系統(tǒng)第一級(jí)采用新型電感均衡電路，第二級(jí)采用獨(dú)立變壓器并聯(lián)均衡電路。兩級(jí)混合均衡不僅可以解決鋰電池組充放電過(guò)程中的能量均衡問(wèn)題，而且可以縮短充電時(shí)間，提高系統(tǒng)運(yùn)行效率。

1 新型電感均衡電路

1.1 電路結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的新型電感均衡電路如圖1所示，B1～Bn為串聯(lián)鋰電池組，M1～Mn為均衡開(kāi)關(guān)的功率MOSFET，電池管理系統(tǒng)（BMS）控制其導(dǎo)通與關(guān)斷，L為均衡模塊中的儲(chǔ)能電感。其工作的基本原理為：通過(guò)控制相應(yīng)的MOSFET，將高電壓電池的多余能量存儲(chǔ)到電感中，并通過(guò)電感將能量傳遞到低電壓電池中。因此，若要給n節(jié)電池構(gòu)成的電池組均衡，需要使用2(n+1)個(gè)MOSFET。該電路體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，可擴(kuò)展性強(qiáng)。

1.2 電路分析

通過(guò)4節(jié)鋰電池組成的均衡單元說(shuō)明均衡的工作原理及過(guò)程。其他均衡單元的工作原理是相同的。假設(shè)B1為較高電壓的單體電池，B4為較低電壓的單體電池，即V1＞V4。通過(guò)儲(chǔ)能電感，將B1中多余的能量傳遞到B4中，實(shí)現(xiàn)均衡。

（1）模式1

如圖2所示，M1，M9閉合，其余MOS管斷開(kāi)，此時(shí)B1和L構(gòu)成閉合回路，電池1給電感L1充電，流過(guò)電感的電流不斷上升，同時(shí)電感中存儲(chǔ)的能量也不斷上升。圖3為等效電路，R0為整個(gè)回路的等效電阻，V1為電池1上的電壓，i為均衡電流。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，計(jì)算電路的電流變化：

整理可得

其中，t為電感持續(xù)充電時(shí)間。

圖2 電感充電電路

圖3 電感充電等效電路

（2）模式2

如圖4所示，M5，M7閉合，其余MOS管斷開(kāi)。此時(shí)B4和L構(gòu)成閉合回路。電感中的電流保持原有方向不變，對(duì)電池B4進(jìn)行放電，流過(guò)電感的電流不斷下降，同時(shí)電感中存儲(chǔ)的能量也不斷下降。電感放電等效電路如圖5所示。通過(guò)基爾霍夫定律，計(jì)算電路的電流變化。

整理可得

這種用刀切完西瓜隨手丟在床上的情況，可能并不多見(jiàn)。但隨手丟東西導(dǎo)致人命喪失的情況，卻不是孤例。有的人在公交車或者其他交通工具上，將用過(guò)的紙巾、食物包裝等廢棄物，隨手就丟出車窗外。要知道清潔工為了清掃這樣的垃圾，需要冒著生命危險(xiǎn)進(jìn)入車流之間，因此而發(fā)生車禍的報(bào)道，不時(shí)可見(jiàn)。我在公交車上見(jiàn)到的最為令人目瞪口呆的一幕，是一個(gè)在車上吃飯的乘客，竟然將吃剩的飯菜像天女散花一樣向車流如織的街道中央“播撒”。

其中i0為上一過(guò)程的電流終值。

圖4 電感放電電路

圖5 電感放電等效電路

綜合上述分析，在V1＞V4的情況下，各點(diǎn)的電流電壓波形如圖6所示。MOS管由方波驅(qū)動(dòng)，可以看到電感上電流的變化趨勢(shì)。電感電流上升，表明電壓高的電池對(duì)電感進(jìn)行充電；電感電流下降，表明電感放電，對(duì)電壓低的電池進(jìn)行充電。這一過(guò)程直至兩電池達(dá)到平衡為止，均衡后電壓為兩電池電壓的平均值，即

圖6 均衡電路波形圖

2 獨(dú)立變壓器并聯(lián)均衡電路

2.1 電路結(jié)構(gòu)

本文所采用的獨(dú)立變壓器并聯(lián)均衡電路如圖7所示。這種結(jié)構(gòu)采用獨(dú)立的壓緊式低功率多繞組變壓器，由光耦控制器S1～Sn安裝于變壓器初級(jí)線圈上。通過(guò)電池管理系統(tǒng)（BMS）控制光耦控制器的開(kāi)關(guān)與導(dǎo)通，選擇均衡對(duì)象。

圖7 獨(dú)立變壓器并聯(lián)均衡電路

在圖7所示的均衡電路中，每個(gè)單體電池都接有一個(gè)獨(dú)立反激式變換器，所有的原邊都是并聯(lián)耦合的。每一個(gè)變壓器都由一個(gè)光耦控制。該均衡過(guò)程如下：PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFET開(kāi)關(guān)Q導(dǎo)通，均衡電流從整個(gè)電池組中流入電壓低的單體電池之中。

2.2 電路分析

本文所提出的均衡電路具有控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。根據(jù)原邊MOSFET管的工作狀態(tài)，可以將該均衡電路分成兩種工作模式。假設(shè)最后一個(gè)電池Bn為最低電壓?jiǎn)误w電池，電池管理系統(tǒng)（BMS）控制S1～Sn-1斷開(kāi)，Sn打開(kāi)，PWM波驅(qū)動(dòng)MOSFET管Q的導(dǎo)通與關(guān)斷。

此模式下，MOSFET管Q導(dǎo)通，Sn開(kāi)啟。整個(gè)電池組流出的電流不斷上升，單體電池Bn對(duì)應(yīng)的原邊上的電流Ikgn也隨之上升。

（2）模式2

在該模式下，MOSFET管Q關(guān)斷。副邊上對(duì)應(yīng)的整流二極管導(dǎo)通，電流通過(guò)變壓器傳遞到電池Bn上，即電流流入單體電池Bn上。

通過(guò)上述過(guò)程，低電壓的單體電池不斷進(jìn)行均衡充電，電池上的能量不斷上升，電壓也隨之上升。在上述均衡系統(tǒng)中，假設(shè)均衡電路的效率為η，則

式中Pout,avg為均衡電路平均輸出功率，Pin,avg為均衡電路平均輸入功率。對(duì)輸出功率積分可得輸出功率平均值，即：

上式中Vn(τ)為選通的單體電池電壓，Iout，Pin為流出變壓器和流入變壓器的電流，且

其中C為實(shí)際使用電池的電容值，化簡(jiǎn)均衡電路平均輸出功率公式，得

3 兩級(jí)混合均衡策略

在使用較多數(shù)量鋰電池的應(yīng)用場(chǎng)合中，采用分級(jí)均衡的方法。即將整個(gè)串聯(lián)電池組分成n個(gè)小塊，首先對(duì)每一個(gè)小塊進(jìn)行均衡。這一輪均衡結(jié)束之后，在對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行均衡，依次提升能量轉(zhuǎn)換率和均衡效率。根據(jù)上述策略，提出如下的混合均衡原理框圖，其中第一級(jí)采用新型電感均衡電路，第二級(jí)采用獨(dú)立式變壓器均衡電路，如圖8所示。

圖8 混合均衡框圖

本文提出的二級(jí)均衡具有均衡效果好，系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。新型電感均衡電路在工作過(guò)程中，不會(huì)出現(xiàn)電感發(fā)熱現(xiàn)象，具有能量轉(zhuǎn)移型電路的一般優(yōu)點(diǎn)。獨(dú)立式變壓器均衡電路均衡效率高。采用本文提出的二級(jí)均衡電路能夠綜合兩種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)，取利舍弊。

4 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用20個(gè)單體電池，每4個(gè)單體電池組成一個(gè)電池組。20 min測(cè)量一次電池組電壓。5個(gè)電池組的電壓在均衡過(guò)程隨時(shí)間變化曲線如圖9所示，起始電壓分別為14．4 V，14．0 V，13．3 V，12．3 V，12．0 V。由圖9可以看到，起始電壓低的電池組在均衡過(guò)程中電池組電壓慢慢上升，起始電壓高的電池組在均衡過(guò)程中電池組電壓慢慢下降，最后電池組電壓趨于相等。

圖9 混合均衡電池組電壓

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)串聯(lián)鋰電池組充放電過(guò)程中的均衡問(wèn)題，研究了一種二級(jí)均衡方案。本方案均衡效果好，結(jié)構(gòu)緊湊，易于模塊化設(shè)計(jì)，為串聯(lián)電池組均衡提供了新的解決方案。針對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)一步的工作將是如何更好提高系統(tǒng)效率和可靠性。

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A New Type of Hybrid Equalization Circuit Design for Lithiumion Battery Pack

Jia Liyuang1, Wang Chenglong2
(1. Gansn Vocational & Technical College of Nonferrous Metallurgy, Jinchang 737100, China; 2. Shanghai Jiangnan Changxing Heavy Industry Co., Ltd, Shanghai 201913, China)

According to the inconsistency problem in charging and discharging process of series connected lithium-ion battery pack, a lithium battery equalization scheme based on energy transferring is designed. By moving the excess energy to the low power battery, the goal of equalization is achieved. The system uses a two-stage hybrid equalization method. The first stage is the new pattern inductance equalization circuit,and the second is independent transformer parallel equalization circuit. The experimental results show that this method has the advantages of short equalization time, high efficiency and so on, and can effectively solve the problem of unbalancing in charging and discharging process.

inconsistencies; hybrid equalization; inductance equalization; transformer

TM910.2

A

1674-2796（2015）06-0005-05

2015-11-17

賈麗源（1992—），女，大學(xué)本科，助教，主要從事信號(hào)與信息處理的研究和教學(xué)工作。