一種并行填谷式鋰電池均衡電路

嚴(yán)利民，黃璐益

（ 上海大學(xué) 微電子研究與開發(fā)中心，上海 200072 ）

一種并行填谷式鋰電池均衡電路

嚴(yán)利民，黃璐益

（ 上海大學(xué) 微電子研究與開發(fā)中心，上海 200072 ）

介紹一種并行填谷式鋰電池主動(dòng)均衡電路，該電路能夠在電池組中的電芯之間出現(xiàn)差異時(shí)進(jìn)行快速糾正，有效提高電池一致性從而提升電池組的整體充放電容量。經(jīng)仿真、測(cè)試，得到了較好的性能曲線。

電池管理系統(tǒng)；均衡電路；并行填谷

0 引言

與鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池相比，鋰電池的能量密度高，重量輕、平均輸出電壓高、使用壽命長(zhǎng)、沒有記憶效應(yīng)，在充放電循環(huán)過(guò)程中，電池的容量不會(huì)減少、自放電率很低、綠色環(huán)保，已成為動(dòng)力電池領(lǐng)域的主力軍。

然而，由于鋰電池單體生產(chǎn)過(guò)程存在的工藝偏差，以及長(zhǎng)期靜置或充放電循環(huán)次數(shù)較多后，電池組內(nèi)部各節(jié)電芯之間電荷量的差距不斷增大，從而造成電池組內(nèi)部電芯的離散性增大，個(gè)別電芯的性能衰減加劇，導(dǎo)致整個(gè)電池組的失效。因此，鋰電池均衡電路通常被用于電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）中，BMS包括了電池的充放電管理、溫度檢測(cè)、電壓電流檢測(cè)、單體電池間的均衡、電量估計(jì)等各個(gè)方面。其中，通過(guò)單體電池間的均衡，可減少電池組內(nèi)各電芯容量的差異，從而提高整個(gè)電池組的利用率。本文介紹了一種主動(dòng)式的并行填谷式鋰電池均衡電路，將電量多的電芯電量轉(zhuǎn)移到電量少的電芯上，達(dá)到電池組的電量均衡。經(jīng)仿真測(cè)試，該電路可有效提高鋰電池的使用性能。

1 電池組均衡原理與方案

1.1鋰電池的不一致性

受制造工藝和技術(shù)的限制，單體電池在可用容量、內(nèi)阻和額定電壓等方面存在的差異難以避免。盡管在電池組組包前已經(jīng)過(guò)分選，盡量使用電壓和內(nèi)阻接近的電芯成組，但是長(zhǎng)期擱置或是多次充放電循環(huán)后造成了電芯間的差異，差異不斷擴(kuò)大可導(dǎo)致整個(gè)電池組無(wú)法滿足容量要求而提前報(bào)廢。另一方面，電池過(guò)充致使電池電壓迅速上升，電池的析氣量增加、溫度升高，甚至引起電池爆炸，存在難以預(yù)測(cè)的安全隱患。這種電池組內(nèi)各節(jié)電芯容量不盡相同稱為鋰電池的不一致性。

電池組的不一致性將產(chǎn)生以下影響：使得充放電能量的轉(zhuǎn)換效率降低；電池組充放電效率下降；電池組輸出功率下降；發(fā)生過(guò)充、過(guò)放等危險(xiǎn)，降低電池壽命。因此，電池均衡電路成為保證電池組運(yùn)行安全及延長(zhǎng)使用壽命不可或缺的技術(shù)之一。

1.2均衡方法綜述

鋰電池均衡策略分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種。

被動(dòng)均衡又稱能耗型均衡，通過(guò)采用電阻等耗能元件將能量從較多的電池單元上消耗掉，直至所有電池均達(dá)到最低能量電池單元的標(biāo)準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)電池組能量的均衡。

主動(dòng)均衡又稱非能耗型均衡，通過(guò)將能量從能量較多的電池單元上轉(zhuǎn)移到能量較低的電池單元上，從而實(shí)現(xiàn)電池組能量的均衡。主動(dòng)均衡包括多種均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，均采用某些能量存儲(chǔ)單元完成能量的轉(zhuǎn)移，如使用電容、電感、轉(zhuǎn)換器等。

常見的均衡電路的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 各種均衡電路結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)

1.3電池管理系統(tǒng)所采用均衡方案

本文基于反激式變換器電路采用并行填谷均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在電池組充電、放電、靜態(tài)存儲(chǔ)時(shí)快速高效地將能量從高電壓的電池單元轉(zhuǎn)移到低電壓的電池單元上。

圖1為并行填谷均衡電路均衡工作過(guò)程示意。假設(shè)電池組內(nèi)有6節(jié)電池，圖中電池的灰色區(qū)域面積代表電池的電量大小，灰色面積越大，則該節(jié)電池的電量就越高。根據(jù)采樣所得的電池電量，運(yùn)用平均值算法，發(fā)現(xiàn)B2、B3、B5三節(jié)電池電量低于總體的平均電量，如圖1(A)。然后，閉合開關(guān)K2、K3、K5，輸入PWM波，在高電平時(shí)，在加粗的黑色回路中有電流流過(guò)，電流為I0，將高于平均電量的另幾節(jié)電池部分電量轉(zhuǎn)移到變壓器磁芯中儲(chǔ)存起來(lái)，B2、B3、B5對(duì)應(yīng)變壓器原邊電流分別為I2、I3、I5；變壓器副邊由電容給電池進(jìn)行均衡充電；在低電平時(shí)，如圖1(B)，儲(chǔ)存在磁芯中的電量將用來(lái)給B2、B3、B5均衡充電，同時(shí)給電容充電，補(bǔ)償其在PWM波高電平時(shí)損失的能量。

圖1 并行填谷均衡過(guò)程示意

1.4反激式變換器均衡電路分析

并行填谷均衡電路是基于PWM控制的反激式變換器實(shí)現(xiàn)的，能夠?qū)δ芰坎蛔愕碾姵貑卧M(jìn)行補(bǔ)充。圖2為單節(jié)電池的填谷式能量補(bǔ)充電路，V為電池組總電壓。

圖2 單節(jié)電池反激式變換器填谷均衡單元電路

如圖2所示，反激式變換器正常工作，PWM波高電平時(shí)，斬波管M導(dǎo)通，電流由初級(jí)線圈同名端流入，次級(jí)線圈感生電壓U2為負(fù)，副邊二極管截止，因此次級(jí)線圈無(wú)電流，電容C給電池B充電。PWM波低電平時(shí)，M斷開，初級(jí)回路無(wú)電流，此時(shí)U2為正，副邊二極管導(dǎo)通，此時(shí)次級(jí)線圈有電流，該電流不僅給電池B提供充電電流，而且給電容C充電。

對(duì)圖2反激式均衡電路進(jìn)行仿真，圖3為反激式變換器均衡單元電路工作波形。

圖3 反激式變換器均衡單元電路工作波形

2 仿真

2.1充電均衡

對(duì)初始狀態(tài)不均衡的電池組進(jìn)行充電均衡，按照恒流快速充電，恒壓浮充的方式進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，恒流充電電流3 A，充電截止電壓4．2 V。無(wú)充電均衡的電池組電壓曲線如圖4所示，充電均衡電池組電壓曲線如圖5所示。由圖5可知，電池組從初始狀態(tài)不均衡狀態(tài)進(jìn)入均衡狀態(tài)僅30 min。均衡電路提升了電池組在整個(gè)充電過(guò)程中的一致性，且增加了充電的時(shí)間，使得電池組充入的能量更多，保證電池在放電時(shí)能夠釋放出更多能量，提升電池的利用率。

圖4 無(wú)均衡充電電壓波形

圖5 均衡充電電壓波形

2.2放電均衡

對(duì)初始狀態(tài)不均衡的電池組進(jìn)行放電均衡，充電實(shí)驗(yàn)放電電流4 A，放電截止電壓2．7 V。無(wú)放電均衡的電池組電壓曲線如圖6所示，放電均衡電池組電壓曲線如圖7所示。從圖7中可以看出，放電均衡電池組每個(gè)電池單體的電壓一致性得到了較好的改善，且在放電的最后階段，除電壓最高節(jié)電池以外，其他電池電壓都降至2．4 V以下，電池的能量基本被釋放，電池組的利用率有很大提高。整個(gè)電池組的放電時(shí)間為85 min，相較于無(wú)放電均衡的電池組放電時(shí)間增長(zhǎng)10%。

A Parallel Valley Type Lithium Battery Equalization Circuit

Yan Li-min, Huang Lu-yi
(Microelectronics R&D Center, Shanghai University, Shanghai 200072)

This paper introduces a kind of parallel valley type lithium battery active equalization circuit that can quickly correct the difference between cells, which effectively improves the consistency of the cell, thus the overall charge and discharge capacity of the battery pack have been improved. After the simulation and test, better performance curves can be obtained.

Battery management system; Equalization circuit; Parallel valley

TM910.2

A

1674-2796（2016）06-0001-03

2016-10-03

嚴(yán)利民(1971—)，男，副教授，主要從事集成電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用、新型顯示技術(shù)、智能檢測(cè)和控制方面的研究。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61674100）