电动汽车电池均衡技术综述

闫改珍 徐朝胜 李进 权悦

(安徽科技学院机电与车辆工程学院，安徽滁州 233100)

1 电池不一致性及其危害

电动汽车动力电池由多节单体充电电池串并联而成，以满足动力源的电压需求和容量需求［1］。由于制造工艺、老化及环境温度的影响，单体电池在容量、内阻等性能上不可避免地存在不一致性。成组工作的单体电池的循环寿命低于单独工作的单体电池，这主要是由单体电池的不一致性造成的［2-3］。电池的不一致性及其危害主要表现在:

(1)容量不一致性。首先，容量不同的蓄电池放电深度不尽相同。同组电池中，容量较大的电池还处于浅放电时，容量较小的电池可能已进入深放电阶段或已放电完而成为电路的负载，出现蓄电池的反极现象，使得整个蓄电池组不能正常工作，同时对反极的蓄电池寿命造成极大的影响。其次，不同容量的同类电池最佳放电电流不同，但成组工作时各电池工作电流相同，无法兼顾。最后，充电过程中，容量较小的电池电压上升较快，充电即将结束时极易过充。容量较小的电池在充放电过程中易进入恶性循环而提前损坏。

(2)内阻不一致性。放电过程中，内阻大的电池压降和能量损耗较大，易产生热量导致电池升温，而环境温度的不一致性会进一步加剧组内电池性能的不均衡。充电过程中，内阻较大的电池充电电压较大，容易提前达到电压上限。

(3)电压不一致性。容量和内阻不一致，导致电池组在使用过程中电压不一致性日趋严重。电压不一致成为电池特性不一致的最终表象。对单体电池能量进行均衡控制是确保电池组充分发挥效能的重要保障。

2 均衡方案及相关文献

近年来出现的新型电池，如锂电池，敏感易损，工作电压精度要求较高，因此铅酸电池通过控制过充，监测电池温度的被动均衡方法不再适用。本文重点介绍近年来出现的几种主动均衡方法。按照电路结构，主动均衡方法可以分为分流均衡法，梭动电容法和能量转换法，如图1所示。

图1 主动均衡法及分类图

3 分流均衡法

分流均衡法通过给电池并联分流回路来实现。当某个单体电池荷电状态高于其他电池时，接通与之并联的分流通路，放慢该电池的充电速率，从而实现荷电均衡。按照分流回路的耗散性，分流均衡法可进一步分为耗散型分流均衡和非耗散型分流均衡。

3.1 耗散型分流均衡

典型的耗散型分流均衡电路如图2所示。

图2 耗散型分流均衡电路

图2(a)中的分流回路由一个MOS开关和分流电阻组成，分流电阻的大小决定均衡能力的大小。若分流电阻提供的均衡电流为10 mA/Ah，则电路每小时能提供1%的均衡力。实际选用电阻时，应综合考虑均衡效率和热量耗散问题。分流电阻辐射大量热量会改变电池的环境温度，加剧组内电池的不均衡性。

图2(b)中的分流器件为三极管。当电池电压超过允许的充电电压值时，电压比较器反相端电位(电池电压分压)高于同相端电位(由稳压电路输出的参考电位)，驱动三极管导通。可见该方案仅在充电即将结束时才开始均衡，与图1所示方案相比能量损耗较小。同时该方案无需智能电压检测系统，并具有较好的可扩展性，便于模块化设计。

3.2 非耗散型分流均衡

几种典型的非耗散型分流均衡电路如图3所示。

图3 非耗散型分流均衡电路

图3(a)为完全分流均衡电路［5］。当电池Bi充满电荷时，Si2导通，Si1断开，电池Bi的充电电流被完全旁路。这一均衡方案要求充电器的输出电压能够在较大范围内变化，造价较高。

图3(b)为同构CE构成的均衡电路，相邻电池间并接一个电池均衡单元(CE)。每个均衡单元可以有不同的电路结构，如文献［6］中的CE结构如图3(c)所示，PMOS管和NMOS管在PWM脉冲的控制下交替导通。当NMOS管导通时，电池B1的充电电流减小，电感L开始蓄能;当NMOS管断开时，PMOS管导通，电感L感生出左正右负的感生电动势并对电池B2释能，使其充电电流高于其他电池。控制PWM脉冲的脉宽可调整每个周期的电荷均衡量，改变PWM脉冲的极性可以控制电荷的转移方向。该方案可以实现电池的无损均衡，但需要精确的电池电压监测，且电路结构相对复杂。

4 梭动均衡法

梭动均衡法通过将电容器并接于各单体电池两端并进行切换实现均衡。荷电状态相对较高的电池将对电容充电，荷电状态相对较低的电池接受储能元件释放的电荷。典型的梭动均衡法电路如图4所示。

图4(a)为多切换电容法［8-10］，通过在相邻电池间并接一个切换电容来实现均衡。在联动开关的控制下，各电容同步在相邻电池间反复切换。每次切换前，电容均会被充电或放电至与之并联的电池电压。该法无需智能控制系统，应用电路较为简单。但对于锂离子电池，荷电状态在20%到80%时电压变化较为平坦，均衡精度较低，因而在混合动力车中的应用受到限制。

图4(b)所示的单切换电容法［4，7］与图4(a)类似，但仅使用一个切换电容。与图4(a)相比，电容依次在所有单体电池间切换，电池组中的单体电池越多，则均衡周期越长，均衡速度越慢。

图4 梭动均衡法

5 能量转换法

能量转换法通过输入和输出绝缘的DC/DC变换器将电池组的能量转移到单体电池中。几种典型的能量转换型均衡电路如图5所示。

图5 能量转换型均衡电路

图5(a)所示为多绕组变压器均衡电路［11］。均衡电路结构类似于一个多输出反激式DC/DC变换器，单体电池电压越低，与之连接的变压器副边电流越大。该均衡电路无需闭环控制及电压监视器，均衡效率较高。但电路设计时需要考虑最大的单体电池数目，因此可扩展性和裁剪性较差。同时，多绕组变压器设计本身也有一定难度。

图5(b)所示为切换变压器均衡电路［4］。均衡电路由多输出反激式变换器变为一个单输出变换器，通过切换开关，依次将变换器的输出接到不同的单体电池两端进行均衡。由于无须使用多绕组变压器，电路的设计难度和成本大大降低，但切换开关的使用增加了控制逻辑的复杂度，并使电路损耗增加，均衡效率降低。

6 结语

目前国内外学者已充分认识到成组使用的电池不一致性带来的危害，并针对多种形式的均衡电路和均衡控制方案作了深入研究。均衡控制技术从理论研究到电动汽车中普及应用需考虑以下3个方面的要素:

(1)均衡效率。均衡效率具体又包含均衡时效与均衡能效。快速充电是对电动汽车动力电池的必然要求，直接关系到电动汽车的推广与普及。均衡速度越快说明其对快速充电的适应能力越强，而较慢的均衡速度将在快速充电时出现均衡力不足的情形。均衡能效越高，则均衡电路本身的能量损耗越小，动力电池能量直接影响电动汽车的续航里程。均衡效率的提高有赖于均衡电路及均衡控制算法的合理选择。

(2)系统复杂度与可扩展性。在保证系统均衡精度和效率的前提下，尽可能降低系统复杂度，以降低系统成本及能耗。模块化设计将有效降低设计难度，并使系统的可扩展性增强。

(3)电磁辐射及抗干扰能力。均衡系统作为电动汽车的一部分，工作环境较为恶劣。电动机、供电系统继电器、可控硅等都可能产生大的电流冲击，通过数据传输线、电源及空间辐射形成较强的电磁干扰。因此电路设计时应选择合适的器件，并合理设计电路，使其具有较高的抗干扰能力，同时减小其对其他电路的电磁辐射和电磁干扰。

［1］Chan C C，Chau K T.An Overview of Electric Vehicleschallenges and Opportunities.Proceedings of the 1996 IEEE IECON 22nd International Conference on Industrial Electronics，Control，and Instrumentation［C］.1996(1):1-6.

［2］Baisden A C，Emadi A.An ADVISOR Based Model of a Battery and an Ultra-capacitor Energy Source for Hybrid E-lectric Vehicles［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2004，53(1):199-205.

［3］Sean West，Philip T，Krein.Equalization of Valve-Regulated Lead-Acid Batteries:Issues and Life Test Results，Telecommunication Energy Conference［C］.2000，9:439-446.

［4］Cao J，Schofield N.Battery Balancing Methods:A Comprehensive Review［C］.IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2008，9:1-6.

［5］Shibata H，Taniguchi S，Yamasaki K.“Management of Serially-connected Battery System Using Multiple Switches，”in Proc.4th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems［C］.2001，2:508-511.

［6］Nishijima K，Sakamoto H，Harada K.A PWM Controlled Simple and High Performance Battery Balancing System，in Proc［C］.IEEE 31st Annual Power Electronics Specialists Conference，Galway，Ireland，2000，1:517-520.

［7］Isaacson M J，Hoolandsworth R P，Giampaoli P J.Advanced Lithium ion Battery Charger，in Proc.25th Annual Battery Conference on Applications and Advances［C］.2000，1:193-198.

［8］Pascual C，Krein P T.Switched Capacitor System for Automatic Series Battery Equalization，in Proc.12th Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］.Atlanta，GA，1997，2:848-854.

［9］West S，Krein P T.Equalization of Valve-regulated Leadacid Batteries:Issues and Life Test Results，in Proc.22ndInternational Telecommunications Energy Conference［C］.Dresden，Germany，2000，9:439-446.

［10］Kimball J W，Krein P T.Analysis and Design of Switched Capacitor Converters，in Proc.20th Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition［C］.2005，3:1473-1477.

［11］Kutkut N H，Divan D M，Novotny D W.Charge Equalization for Series Connected Battery Strings［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1995，31:562-568.