鋰電池均衡電路的研究

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 付 望

鋰電池在經(jīng)過長時間的技術(shù)發(fā)展，以及世界各國對環(huán)境保護(hù)概念的重視，鋰電池逐漸被世界各國重視并廣泛應(yīng)用，比如現(xiàn)階段國家大力發(fā)展的純電動汽車，以及應(yīng)用在其他生活生產(chǎn)的儲能設(shè)備中。鋰電池組是由電池單體組合而成，而在生產(chǎn)過程中，各電池單體容量在一定范圍內(nèi)存在一定差異，這便約束了鋰離子電池的大規(guī)模應(yīng)用，而通過均衡電路則可以有效的解決電池單體容量差異的問題，如何使鋰電池組得到均衡控制是目前研究難點(diǎn)之一。因此對鋰電池均衡電路進(jìn)行探究也更有意義。

鋰離子電池作為新型電池，相對傳統(tǒng)電池具有自放電率低，循環(huán)充放電次數(shù)多，單體工作電壓高，在較大的溫度變化范圍內(nèi)正常工作，不存在記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，因而鋰離子電池更容易成為儲蓄動力電池的最佳選擇。鋰電池技術(shù)經(jīng)過長時間的發(fā)展越來越完善，大規(guī)模鋰電池組的應(yīng)用也越來越廣泛，在電動汽車，儲能等領(lǐng)域成為最佳選擇之一。而單體鋰電池在生產(chǎn)過程中存在差異，以及在使用過程中又加大了單體電池的差異性，所以，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模鋰離子電池的廣泛應(yīng)用，電池組的有效均衡控制是目前的關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，深入研究鋰電池均衡電路以及均衡控制策略具有重要的意義。

1 鋰電池技術(shù)

近年來能量可以以多種方式儲存，但是對于大多數(shù)應(yīng)用設(shè)備來說，最好的選擇是鋰電池，因?yàn)樗鼣y帶方便，污染小。此外，鋰電池供電的電子設(shè)備已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代社會生活的必需品。鋰電池可以用于小型應(yīng)用，例如移動電話、電動車，也可以用于大型設(shè)備，例如電力網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗咝曳€(wěn)定。除了安全，使用鋰電池作為儲能設(shè)備還需考慮日常維護(hù)和電池的使用壽命。

1.1 電池模型

創(chuàng)建一個鋰電池的精準(zhǔn)模型，能達(dá)到對鋰電池更有效地利用。在如今的發(fā)展中，有三種建模模型。三種模型是電化學(xué)模型、數(shù)學(xué)模型和電路模型。

電化學(xué)模型是基于電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)過程，并詳細(xì)解釋了這個過程。細(xì)節(jié)越多，模型越復(fù)雜。這種模型需要結(jié)合很多數(shù)學(xué)公式，涉計高等數(shù)學(xué)中的高階偏微分方程，常微分方程，常規(guī)的處理需要進(jìn)行簡化降階方程式，減少模型的復(fù)雜度，這樣在確保模型精準(zhǔn)度的前提下，又增加了大量的工作量。

另一個模型是數(shù)學(xué)模型，該模型通過數(shù)學(xué)方式表達(dá)過于抽象化，無法在現(xiàn)實(shí)中實(shí)現(xiàn)，但對于專業(yè)設(shè)計人員在預(yù)測系統(tǒng)行為(如電池壽命預(yù)測、電池效率或容量)時采用經(jīng)驗(yàn)方程或數(shù)學(xué)模型非常有用。但是該數(shù)學(xué)模型不能提供重要的伏安信息，這是電路模擬和優(yōu)化所需要的。數(shù)學(xué)模型分為幾個模型，即：Peukert定律，它是一種通過考慮電池的部分非線性特性來預(yù)測電池壽命的模型；Rakhmatov Vrudhula模型，通過解釋電池活性材料中的擴(kuò)散過程發(fā)展了Peukert定律動力電池模型，利用電池動力內(nèi)部的化學(xué)過程。

電路模型的精度水平介于電化學(xué)模型和數(shù)學(xué)模型之間，該模型是一個使用電壓源、電阻和電容等組合的電池等效電路模型，這種模型對于設(shè)計和模擬電氣系統(tǒng)電路非常重要。

1.2 鋰電池均衡技術(shù)

不同設(shè)備需要不同電壓與容量，單體鋰電池的電壓與容量相對較小，而通過簡單的串并聯(lián)電路可以滿足不同設(shè)備的電壓與容量的需求。在鋰電池的生產(chǎn)過程中，需要多種化學(xué)材料以及多重化學(xué)工藝，這些不可避免的狀況使各單體電池從出廠時就有參數(shù)差異。在電池經(jīng)過長時間的使用下，各單體的容量、實(shí)際電壓值、自放電率等都會出現(xiàn)差異性，且隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加加大了個體的差異性，最終導(dǎo)致電池壽命的縮減，電池組出現(xiàn)離散現(xiàn)象。根據(jù)“木桶效應(yīng)”，電池組的容量決定因素是由容量最低的單體電池，最低容量的單體電池導(dǎo)致整個電池組容量的降低。而電池組通過設(shè)計均衡電路以及控制策略，均衡電路能通過控制策略對各電池單體進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，從而在應(yīng)用過程中，電池組的容量能夠在一定范圍內(nèi)達(dá)到一致，提高電池組整體的儲能容量。

2 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略

目前均衡技術(shù)主要包括均衡拓?fù)浞绞胶途饪刂撇呗詢煞矫妗？梢詫⒕馔胤绞椒譃閮深悾褐鲃泳夂捅粍泳狻?/p>

2.1 被動均衡

被動均衡是通過加入電阻來改變電池單體間電流的大小，從而達(dá)到控制各單體電池容量差的目的。這種控制方式結(jié)構(gòu)簡單，成本較低、操作簡單，但由于以電阻耗能的形式來消耗電池單體過多的能量，可能存在散熱問題，更容易造成電池單體性能的改變，進(jìn)而電池單體間的差異又進(jìn)一步加大。

2.2 主動均衡

另一類為主動均衡，由于耗散型被動均衡存在的問題，提出了主動均衡的控制方式。從較高容量電池單體轉(zhuǎn)移過多的容量給較少的電池單體。通常，主動均衡電路按能量的傳輸方式不同可以分為四種：相鄰單體電路（adjacent cell-to-cell），此電路的拓?fù)浒ㄩ_關(guān)電容拓?fù)洹㈦p向C?K拓?fù)?，?zhǔn)諧振拓?fù)洌约岸鄠€變壓器的拓?fù)?。由于能量存儲裝置之間的能量分布可以通過控制多個并聯(lián)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)，電路具有控制簡單和模塊化設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)。然而能量必須通過所有電池單體和拓?fù)渲械钠胶怆娐?，所以效率很低。單體—單體電路（direct cell-to-cell），相關(guān)拓?fù)浒ㄩ_關(guān)電容拓?fù)?、開關(guān)電感拓?fù)洹⒁约皽?zhǔn)諧振拓?fù)?，其?yōu)點(diǎn)包括消除耦合效應(yīng)并且提高效率。然而，開關(guān)器件遭受電壓應(yīng)力也增大，特別是電池組中的單元數(shù)量較多時，這也增加了此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的成本。此外，因?yàn)橐淮蝺H均衡兩個單體電池，電壓均衡時間過長。單體—電池組電路（cell-to-pack），將單體電池的能量傳遞到整個電池組，使得每個電池可以獨(dú)立且靈活地實(shí)現(xiàn)電壓平衡。電路包括中提出的buck—boost分流拓?fù)洹⒎醇ね負(fù)?、開關(guān)變壓器拓?fù)湟约岸嗬@組變壓器拓?fù)洹ｋ娐返闹饕秉c(diǎn)是需要大的磁體。以及電池組—電池組電路（multicellsto-multicells），在單個開關(guān)周期內(nèi)將能量從多個電池轉(zhuǎn)移到多個電池，該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)了能量快速轉(zhuǎn)移和均衡時間較短。然而，這種拓?fù)湫枰褂枚鄠€繼電器進(jìn)行能量傳輸，與場效應(yīng)晶體管開關(guān)相比，繼電器體積龐大，不能用于高頻應(yīng)用，預(yù)期壽命明顯低于半導(dǎo)體開關(guān)。

2.3 均衡控制策略

均衡控制策略的研究重點(diǎn)主要在均衡控制方法上，用合適高效的控制方法控制均衡電路是目前研究的難點(diǎn)，常用的均衡控制方式包括平均值差值控制法，模糊控制法，非線性PID控制，以及遺傳算法等。各種方法都有不同的優(yōu)勢以及劣勢，在根據(jù)具體需求充分結(jié)合具體均衡電路選擇適合的控制方法，并不斷加以改進(jìn)才能實(shí)現(xiàn)最佳控制。

結(jié)語：本文詳細(xì)介紹了鋰電池的優(yōu)缺點(diǎn)，引出當(dāng)前鋰電池的研究熱點(diǎn)—均衡控制電路，詳細(xì)闡述了鋰電池均衡電路的產(chǎn)生原因，以及現(xiàn)階段常見的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略。對進(jìn)一步深入探究鋰電池均衡電路具有重要意義。