電動汽車鋰離子電池組充放電均衡器及其均衡策略探究

吳峰

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山，528300）

電動汽車鋰離子電池組充放電均衡器及其均衡策略探究

吳峰

（順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東佛山，528300）

電動汽車發(fā)展目標(biāo)是緩解全球能源枯竭的壓力，其中動力源是電池組。通過對電池組有關(guān)技術(shù)的分析，從均衡器電路圖入手，著重探究了電動汽車鋰離子電池組充放電均衡策略，以及均衡器應(yīng)用該策略時的工作原理和特點。研究表明：均衡器電路開關(guān)數(shù)目m和單體電池個數(shù)n之間滿足m=2(n+1)的關(guān)系；在電池充電過程中，電池組中能量最強的單體電池向均衡器放電；在電池放電或靜置過程中，均衡器對電池組中能量最弱的單體電池充電。以上機理可對所有鋰離子電池組的研發(fā)提供具體指導(dǎo)。

鋰離子電池組；充放電；均衡器；均衡策略

引言

電動汽車鋰離子電池組的充放電狀態(tài)各自采取不同的均衡策略，且各具特色[1-5]。對均衡策略的深入分析有助于促進鋰離子電池組研發(fā)企業(yè)的發(fā)展，使鋰離子電池在各電器中具有更加良好的使用體驗，服務(wù)于民。下面就圍繞這兩種均衡策略進行論述。

1 均衡器拓撲電路及均衡策略

1.1 均衡器拓撲電路

均衡器拓撲電路如圖1所示。可以看出，電路由A組開關(guān)、B組開關(guān)、電感器L、功率開關(guān)M、電壓源E和續(xù)流二級股D組成。其中A組開關(guān)、B組開關(guān)和功率開關(guān)M都是金屬—氧化物—半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET），電壓源E是外部蓄電池。為防止電池出現(xiàn)短路現(xiàn)象影響正常使用，在A組開關(guān)和B組開關(guān)上均串聯(lián)了二極管。均衡器拓撲電路在使用過程中，根據(jù)電池數(shù)目和電流大小選擇金屬—氧化物—半導(dǎo)體（MOS）開關(guān)，并且為了降低開關(guān)能量的損耗，通常選擇電阻比較小的MOS開關(guān)進行管理。在二極管的選擇方面，盡量選擇電阻比較小的肖特基二極管。

圖1 均衡器拓撲電路圖

1.2 均衡策略

如果在均衡電路中使用的儲能元件和耗能元件都不同，那么組成均衡器的是開關(guān)電阻元件和電感元件。開關(guān)電阻元件中均衡電流非常小，大約在100～200 mA之間，并且在電阻器上安裝散熱裝置；而電感元件則是通過在電感器中產(chǎn)生的電流變化均衡電池組中的電流，均衡電流具有很強的可控性，在應(yīng)用過程中，隨著電池組單體電池電能流向的不同，均衡策略通?？煞譃橐韵聨追N：

第一種，電池在充電過程中，荷電狀態(tài)中能量最高（即SOC值最高）的單體電池處于均衡放電的狀態(tài)，其中產(chǎn)生的電能有兩種去向，一是被電阻消耗掉，二是返回到電池中，這就使得這類均衡策略屬于單相傳遞，在這一過程中只能通過單體電池的放電供整個電路消耗；

第二種，也是在電池充電過程中，電池組中的能量只在相鄰的電池中傳遞，從而實現(xiàn)對單體電池進行多次充電。這種均衡策略的局限性是大大降低了電池的使用壽命，同時電路的消耗也較大；

第三種，電池在放電過程中，對電池組中SOC值最低的單體電池進行充電。和第一種充電過程有一定的相似性，也屬于一種單向均衡策略。

2 均衡器工作原理及特點

2.1 均衡放電控制策略和工作原理

如果電動汽車鋰離子電池組需要充電，此時電池組中能量最高的單體電池開始放電，這些電能被轉(zhuǎn)移到均衡器中存儲起來，以便電池組電能耗盡時利用這些能量對電池組進行充電，從而滿足持續(xù)供電的需要。具體工作原理和控制過程分別如圖2和圖3所示。

圖2 均衡放電工作原理圖

圖3 均衡放電控制原理圖

如圖2所示，若Cell1的SOC值最大，放電開關(guān)A2和B1連通后，Cell1向電池組中充電。一旦A2閉合，均衡器通過回路②把電感中的能量儲存起來，均衡時對B1進行脈沖寬度調(diào)制（PWM），保證A2始終處于通電狀態(tài)。

從圖3(a)可以看出，均衡電路屬于Buck斬波電路，其中U為該電池正常運行時的電源。電池組在均衡策略中，均衡電路通常有兩種工作模式：一是電流連續(xù)模式，二是電流斷續(xù)模式。開關(guān)的驅(qū)動信息號和均衡電流波形如圖3(b)所示，通過調(diào)節(jié)均衡器中的占空比，就可以調(diào)節(jié)均衡電流的大小。

2.2 均衡充電控制策略和工作原理

電動汽車鋰離子電池組在放電或靜置時，電池組中SOC值最低的單體電池受到充電，其能量主要來自于均衡器。也就是說，電池組中SOC值最高的單體電池在放電過程中的能量，以均衡器為中介，供應(yīng)給SOC值最低的單體電池，使其充電。靜置時，能量弱的電池也單獨受到能量補充，從而提高整個電池組的儲能。在此均衡電路中應(yīng)用的也是Buck斬波電路。

2.3 均衡策略特點總結(jié)

每個電動汽車鋰離子電池組充放電均衡器包含了很多個單體電池的均衡模塊。通過章節(jié)2.1和2.2的論述，總結(jié)這些均衡模塊具有以下三個特點：

首先，該電路中的開關(guān)數(shù)目和單體電池有很大聯(lián)系，即

其中，m表示開關(guān)數(shù)目，n表示單體電池個數(shù)；

其次，電池在充電過程中，電池組中能量最強的單體電池向均衡器放電；

最后，電池在放電或者靜置過程中，均衡器對電池組中能量最弱的單體電池進行充電。

3 結(jié)束語

綜上所述，電動汽車鋰離子電池組充放電均衡策略，是以電感為儲能原件，充電時能量最強的單體電池放電為原則的。均衡電路可控性和能量轉(zhuǎn)換效率大大提高。在前人工作的基礎(chǔ)上，首先探究了均衡器拓撲電路及均衡策略，其次分析了均衡器工作原理及特點，希望對所有鋰離子電池組研發(fā)機構(gòu)在充放電均衡策略上的研究有引領(lǐng)作用。

[1]王占國, 文鋒, 盛大雙, 等. 新型充放電均衡一體化電池管理系統(tǒng)研究[J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2012, 26(5): 431-436.

[2]李改有, 楊姜, 席光榮, 等. 一種混合動力車載鋰電池管理系統(tǒng)[J]. 電子世界, 2016(1): 46-48.

[3]肖艷軍, 劉蕊, 宋海平, 等. 基于單片機的鋰電池管理系統(tǒng)研究與試驗[J]. 控制工程, 2016, 23(7): 1001-1005.

[4]焦東升, 王海云, 朱潔, 等. 基于離散Fréchet距離的電動汽車電池健康狀態(tài)診斷方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2016, 44(12):

[5]68-74.劉紅銳, 李園專, 陳仕龍,等. 鋰離子蓄電池組充放電均衡器及均衡策略[J]. 電子學(xué)報, 2016, 44(8): 1981-1987.

Research on Charging and Discharging Equalizer and Equalization Strategy for Lithium Ion Battery in Electric Vehicles

WU Feng
(Shunde Polytechnic, Foshan, Guangdong,528300, China)

The launch of electric vehicles has largely eased the pressure on the world's energy depletion. Through abundant technical investigations, we start from the circuit diagram of equalizer, to focus on the analysis of charging and discharging equalization strategy for lithium ion battery in electric vehicle, for a further analysis on the principle and characteristics of the equalizer when applying such a strategy. Research shows that, the number of equalizer circuit switch m and the number of single battery n satisfy the relationship of m=2(n+1); in the battery charging process, discharge occurs from the single battery of strongest energy to the equalizer; in the battery discharging or standby process, charge occurs from the equalizer to the single battery of weakest energy. The above mechanisms can provide specific guidance for the research and development of all lithium ion batteries.

Lithium Ion Battery; Charge and Discharge; Equalizer; Equalization Strategy

TM910.6

A

2095-8412 (2016) 06-1188-03

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.06.036

吳峰(1984-)，男，漢族，廣東汕頭人，本科，實驗師。主要研究方向：汽車檢測與維修技術(shù)。