锂离子电池的均衡控制综述

（易事特公司新能源部）

0 引 言

锂离子电池已广泛用于便携式电子产品（如手机、笔记本电脑、摄像机）和电动车电源。供电电源通常由多个单体电池串联组成，以满足设备所需电压和功率要求。在实际使用中，由于单体电池之间的差异，电池组的容量受限制于最弱的电池的容量。在串联电池组中，虽然通过单体电池的电流相同，但是由于其容量不同，电池的放电深度也会不同，容量大的总会浅充浅放，而容量小的总会过充过放，这就造成容量大的衰减缓慢、寿命延长，容量小的衰减加快、寿命缩短，两者之间的差异会越来越大，因此小容量电池的失效会导致电池组的提前失效［1］。

1 锂离子电池均衡的必要性

在串联的电池系统中，不论是充电还是放电，电池单元的工作电流都是相同的。但是由于电池个体之间内部特性差异、工作温度和循环使用次数的不同，表现出来的电池行为也会有所区别。一般来说，电池行为出现差异的主要原因有两种：一是内部阻抗的改变，二是由于电池老化而造成的容量减少。不管是由于哪种原因，出现行为差异的电池在电池组充电的过程中，发生过充现象的可能性是最大的。容量减小或者内部阻抗变大的电池在充放电过程中，电压变化会比正常的电池更明显。放电时，它的电压下降比其他电池单体更快；而充电时，电压上升也是最快的。

在充放电过程中，锂离子电池组中各单体电池之间存在不一致性，连续的充放电循环导致的差异，将使某些单体电池的容量加速衰减，串联电池组的容量由单体电池的最小容量决定，因此这些差异将使电池组的使用寿命缩短。

通常把因单体电池的性能差异而导致的电池组性能降低的现象称为电池匹配失衡。电池匹配失衡主要表现在两个方面：电池荷电状态失衡和电池容量或能量的失衡。采用电池均衡处理技术便可解决以上两种失衡问题，从而改进串联电池组的电性能。电池荷电态失衡需在电池组初次充、放电时进行均衡调整电池，此后只需在充电期间进行均衡即可，而容量或能量失衡则必须在充、放电过程都进行均衡。

2 锂离子电池的均衡方法

目前锂离子电池组均衡控制的方法，根据均衡过程中电路对能量的消耗情况，可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。能量耗散型是将多余的能量全部以热量的方式消耗，非耗散型是将多余的能量转移或者转换到其它电池中，由于转换效率一般都在85%～95%之间，因此这种方式也会消耗5%～15%的能量。

（1）能量耗散型

能量耗散型是通过单体电池的并联电阻进行充电分流从而实现均衡，这种电路结构简单，只将容量高的单体电池的能量消耗，均衡过程一般在充电过程中完成，对容量低的单体电池不能补充电量，存在能量浪费和热管理的问题。

能量耗散型一般可分为两种类型，一是恒定分流电阻均衡充电电路，即每只单体电池都始终并联一个分流电阻［2］，如图1所示。这种电路的优点是可靠性高，缺点是无论电池处于充电还是放电过程，分流电阻始终消耗功率，因此一般应用在能量充足、可靠性要求高的场合，如卫星电源等。

图1 恒定分流电阻均衡电路

二是开关控制分流电阻均衡充电电路，如图2所示，分流电阻通过开关控制，在充电过程中当单体电池电压达到截止电压时开始均衡，有最大单体电池充电电压和电池组平均电压两种控制策略。这种均衡电路工作在充电期间，特点是可以对充电时单体电池电压偏高者进行分流，缺点是由于均衡时间的限制，分流时产生的大量热需要管理，尤其在容量比较大的电池组中。

图2 开关控制分流电阻均衡电路

（2）能量非耗散型

能量非耗散型电路的耗能比能量耗散型要小，但电路结构相对复杂，可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。

能量转换式均衡是通过开关信号，将锂离子电池组整体能量向单体电池进行补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。其中单体电压向整体电压转换一般都是在电池组充电过程中，电路如图3所示［3］。该电路是通过检测各个单体电池的电压值，当单体电池电压达到一定值时，均衡模块开始工作。把单体电池中的充电电流进行分流从而降低充电电压，分出的电流经模块转换把能量反馈回充电总线，达到均衡的目的。

图3 单体电压向整体电压转换电路

电池组整体能量向单体转换，一般根据均衡发生的过程不同分为两种，一种是发生在充电过程中，电路如图4所示，这种方式也称为补充式均衡，即在充电过程中首先通过主充电模块对电池组进行充电，电压检测电路对每个单体电池进行监控［4］。均衡模块中的充电电压经过一个独立的DC／DC变换器对电池组主充电，均衡模块中充电电压经过一个独立地AC／DC变换器和一个同轴线圈变压器，给每个单体电池上增加相同的次绕组。这样，单体电压高的电池从辅助充电电路上得到的能量少，而单体电压低的电池得到的能量多，从而达到均衡的目的。这种均衡方式的问题在于次绕组的一致性很难控制，而且同轴线圈也存在一定的能量耗散，而且这种方式的均衡只有充电均衡，对于放电状态的不均衡无法作用。

图4 补充式均衡电路

图5 开关电容式均衡

能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把锂离子电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上，如图5所示。该电路是通过切换电容开关传递相邻电池间的能量，将电荷从电压高的电池传送到电压低的电池，从而达到均衡的目的。另外也可以通过电感储能的方式，在相邻电池间进行双向能量传递。此电路的能量损耗很小，但是均衡过程中必须有多次传输，均衡时间长，不适于多串的电池组。改进的电容开关均衡方式将电压高的单体电池的能量直接转移到电压低的单体电池上，而不用通过整个电池组依次转移，使均衡效率提高。

3 锂离子电池均衡电路的发展趋势

锂离子电池组在不同领域的产业化，对均衡电路的要求也越来越高，今后的发展趋势如下：

（1）不论是能量耗散型均衡电路还是非耗散型均衡电路，减小能量消耗成为目标。目前各种方法中，能耗最小的约为转换能量的15%左右，减小能量消耗不仅可以节约能源，还可以减少发热量。

（2）在实际应用中，生产厂家希望应用到设备中的均衡电路体积小、电路简单、成本低。目前均衡电路在管理系统中的体积占到一半以上，如何减少均衡电路的体积和成本成为了研究的重点。

（3）均衡电路的设计适用性强，可以对不同串数的电池组进行均衡。由于使用中根据实际需求，需要将电池组进行不同串并联组合，因此均衡电路的可级联性将成为很重要的因素。

（4）均衡电路也朝着快速、高效的方向发展，希望缩短均衡时间。实际应用中，均衡时间和电路的体积需要合理的分配。

（5）根据电压的均衡方式和根据容量的均衡方式相结合。

［1］ 边延凯，贾瑞庆，田 爽.锂离子电池组的均衡控制与设计［J］.东北电力大学学报，2006，26（2）：69－72.

［2］ 雷 娟，蒋新华，解晶莹.锂离子电池组均衡电路的发展现状［J］.电池，2007，vol.37（l）：62－63.

［3］ Stephen T.Hung，Douglas C.Hopkins，Charles R.Mosling.Extension of Battery Life via Charge Equalization Control［C］.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，1993，40（1）：96－104.

［4］ Lee Y S，Chen G T.ZCS bi－directional dc－to－dc converter application in batter y equalization f or electric vehicles［J］.Power electronics specialists conference，2004，4：2766－2772.