新型動力電池均衡器的設計

劉佳庚+++趙美紅

摘 要：本文將圍繞新能源汽車動力電池組充放電過程容量不均衡、電池組整體性能下降這一問題開展研究，設計出了一種可根據(jù)荷電狀態(tài)差異程度來調(diào)節(jié)單體電池充放電的高效均衡器，實驗表明：改進的新型均衡器有效提高了動力電池組的整體性能，對推動新能源汽車的發(fā)展奠定了重要基礎。

關(guān)鍵詞：動力電池；均衡器；均衡控制；荷電狀態(tài)

中圖分類號：TN929 文獻標識碼：A

0.引言

動力電池均衡器目前有3個基本形式：電阻式、電容式、電感式。電容式均衡器擁有使每個電池具有相同的電壓，使較高電壓與較低電壓之間進行能量的轉(zhuǎn)移，但是由于無法控制勵磁涌流，在電池電壓差異較大時會出現(xiàn)紋波電流流入電池，因此均衡SOC時它們不允許有任何的電壓差；電感式均衡器是不依賴于電池電壓而補償電池的內(nèi)部電阻，且能夠提高均衡電流，在高電壓電池間最大限度在相鄰電池間分配電流，而不是平均分布在所有電池中，這種情況需要在每個電池上都有大量的元器件，并且需要控制器有較高的處理能力。

1.均衡器拓撲結(jié)構(gòu)

改進的均衡控制電路系統(tǒng)由開關(guān)模塊、檢測模塊、控制模塊、均衡模塊組成，以電感和電容之間的不同結(jié)合構(gòu)成的非能耗型均衡方案，本均衡電路由電感L、電容C和高速開關(guān)管開關(guān)管組成，通過改變高速開關(guān)管開關(guān)開斷順序以及占空比來實現(xiàn)均衡過程。

檢測模塊將各個電池的參數(shù)檢測值傳送給控制模塊的中央處理器，中央處理器根據(jù)所檢測到的參數(shù)計算出各個電池的充電＼放電狀態(tài)值，將狀態(tài)值最高的電池與狀態(tài)值最低的電池進行配對，通過開關(guān)模塊接入，將其進行均衡管理，由于是非能耗均衡，在均衡的過程中能量只在電池內(nèi)部轉(zhuǎn)化。待均衡結(jié)束后再重新檢測，完成一個循環(huán)周期。

2.新型均衡器工作原理

整個均衡過程需要經(jīng)過3個階段：1[t1-t2]：MOSFET開關(guān)管Q2、Q3導通，接通Bi，單體Bi將電荷傳遞至電感L上，L處于充能狀態(tài)。2[t2-t3]：開關(guān)管Q2、Q4導通，由于電感特性，經(jīng)過L的電流不能突變，存儲的能量沿著 回路慢慢衰減，進而實現(xiàn)了對電容C的儲能，由于加上電感和電池的電壓，電容C上儲存的電壓高于電池電壓，在階段1和階段2過程中，電感的L兩端的電壓UL對時間的積分為零。3[t2-t3]：斷開Bi，接通Bj開關(guān)管Q1、Q4導通，電容對低電壓電池進行充電。

3.控制策略及仿真

假設B1向B2傳輸能量，不考慮損耗和誤差將均衡器看成是一個理想變壓器的組合如圖1所示。

本方案中均衡電路的電感，開關(guān)均比傳統(tǒng)均衡器有所減少，而且打破了只能相鄰電池之間傳遞能量的限制，任意兩個單體電池只要狀態(tài)值差偏大，都可以配對成功，觸發(fā)均衡電路，改進的均衡電路不僅開關(guān)數(shù)目減少，電感數(shù)目減少，而且相應的驅(qū)動電路也減少。這樣并且可以在動力電池組的任何運行狀態(tài)下實現(xiàn)一致性管理。

設計仿真電路原理圖，兩組開關(guān)為導通壓降為0.3V的MOSFET，其開關(guān)頻率為1Hz，電感為0.1mH，電容為200μF。仿真實驗選用兩個標稱電壓為10V的動力電池，內(nèi)阻為2mΩ，兩個單體動力電池的初始SOC為別為70%，80%。均衡過程中，動力電池Bi向動力電池Bj傳遞能量，圖2為電容兩端的電壓情況。

通過進行實驗得到兩個電池之間的SOC變化狀態(tài)如圖7所示。

通過圖3中SOC變化曲線可見，兩單體電池的SOC值基本一致，故改進后的均衡器有效的完成了均衡，并且彌補了其他均衡器的不足。

結(jié)論

提出一種根據(jù)SOC荷電狀態(tài)進行充放電調(diào)節(jié)均衡電流的控制電路，控制電路能夠通過監(jiān)測到的SOC狀態(tài)，通過最優(yōu)化算法，選出兩個電池進行配對均衡，再由MOSFET的開斷來控制整個均衡電路的工作。實驗結(jié)果驗證了該電路的有效性，并且節(jié)能環(huán)保，避免了傳統(tǒng)電池均衡器的相鄰電池均衡的弊端，使不需要均衡的電池不用參與均衡過程，大大提高了均衡電路的工作效率，同時也降低了電池進行充放電工作時的損耗，對改善電池均衡狀態(tài)、提高工作效率、降低損耗上有一定的實際應用價值。

參考文獻

[1]趙美紅，劉佳庚.基于非線性模型的動力電池容量損耗的預測[J].可再生能源，2016（7）：1067-1071.

[2]蔡信健， 吳振興， 孫樂，等. 直流電壓不均衡的級聯(lián)H橋多電平變頻器載波移相PWM調(diào)制策略的設計[J].電工技術(shù)學報，2016， 31（1）：119-127.