一种锂电池组均衡管理方案设计

张友近

（西南石油大学机电工程学院，四川 成都610500）

锂电池组通常由若干单体锂电池串联组成。由于单体锂电池在电压、容量、及内阻等方面不尽相同[1]，在成组使用时，连续的充放电循环将导致锂电池组内某些单体电池的容量迅速衰减，而电池组的容量由单体电池的最小容量决定，因此单体电池的不一致性将导致锂电池组的使用寿命缩短[2]。因此必须均衡管理锂电池组的充放电。

目前关于锂电池组均衡管理的研究中，PARKHS等[3]利用多副边隔离变压器来均衡锂电池组的充电，该方法避免了电流过大对电池组造成损害，但缺点在于变压器的副边数导致调整电池数量的灵活性有限。黎继刚等[4]采用一种奇偶均衡电路，该电路避免了电能的单一流向，提高了均衡效率，但缺点是电能的转移方向被奇偶均衡模块固定，灵活性较低。

针对上述均衡方式的优缺点，设计一种基于功率电感的均衡管理方案。该方案采用模块化设计[5]，可扩展性好，以功率电感作为能量传递媒介构建双向均衡电路，以锂电池单体的开路电压和工作电压作为均衡变量，实现锂电池组充电及放电过程的动态均衡。

1 基于功率电感的均衡电路结构

基于功率电感的均衡电路结构如图1所示。图1中，L1为功率电感，R1为L1的消磁电阻；MOSFET用于控制均衡旁路的开启和关闭；Z1、Z2为体二极管，用于构成放电回路。

图1 均衡电路图

以图中Cell1和Cell2为例，均衡开始时，检测Cell1和Cell2的电压值，判定是否满足均衡条件。假设满足均衡条件且有U2＞U1，开启均衡后，整个均衡过程分为Cell2放电、Cell1充电和电感消磁三个阶段。

Cell2放电：控制系统令MOSB闭合，Cell2、L1和MOSB构成放电回路，Cell2开始对L1放电，将部分电能储存在L1中。

Cell1充电：控制系统令MOSB断开，MOSA闭合，Cell1、L1和MOSA构成充电回路。此时，L1对Cell1进行放电。随着放电电流的减小，电感两端电压不足以抵消Cell1电压与MOSA正向导通电压，L1放电结束。

电感消磁：L1放电结束时，仍有部分能量残余，此时L1、R1、MOSA以及Cell1构成一个RLC谐振电路，将电感L1中的剩磁耗散，保证电路参数稳定。

2 均衡控制策略

均衡控制的流程是：首先识别锂电池组工作状态，再根据制定的均衡变量和均衡指标来判定不一致性，若满足均衡条件则开启均衡，同时不断监测电池状态，满足停止条件后停止均衡[6]。针对锂电池组处于充电、放电工作阶段分别制定了相应的控制策略，

2.1 充电阶段均衡

充电阶段均衡目的在于最大化利用电池组的容量，避免电压较高的电池单体提前截止充电。当电池组的极差大于设定的阈值时，且电压最高的电池单体与相邻电池单体的电压在设定的范围内，此时按照电压由高到低的顺序依次均衡，最终使各电池单体电压达到一致，该均衡过程为顶部均衡。

2.2 放电阶段均衡

放电阶段均衡目的在于最大化利用锂电池组储存的电能，避免电压较低的电池提前截止放电。在电池组的电压极差大于设定的阈值时，且电压最低的电池单体与相邻电池电压均在设定的范围内，此时按照电压由低到高顺序依次均衡，最终使各电池单体电压达到一致，此过程为底部均衡。

3 实验验证

实验采用标称电压3.3V，额定容量20Ah的磷酸铁锂电池组展开充放电均衡实验。将均衡前后各单体电池状态进行对比，验证均衡方案的有效性。

3.1 充电阶段均衡实验

取5节磷酸铁锂电池串联成组，以C/3(C表示电池充放电电流大小的倍率，若电池容量为2000mAh，1C表示2000mA)的电流进行恒流充电。第1次充电时不启动均衡，当有电池单体电压上升到3.7V时停止充电，充电过程曲线如图2所示。

对上述磷酸铁锂电池组进行放电，当有单体电池电压降为3.0V时放电停止，搁置一段时间后，进行第2次恒流充电时启动均衡管理，此时充电过程曲线如图3所示。图4为启动均衡前后Cell1充电过程工作电压对比曲线。图2、图3对比可以看出，启动均衡后电池组中单体电池到达充电截止电压的时间不断后延，表明电池组充入了更多的电量。根据图4可以计算出，启动均衡后Cell1的可充入容量增加了至少1.4Ah以上。

图2 启用均衡前锂电池组充电曲线

图3 启用均衡后锂电池组充电曲线

图4 启用均衡前后Cell1充电对比曲线

图5 启用均衡前锂电池组放电曲线

3.2 放电阶段均衡实验

再取5节磷酸铁锂电池串联成组，充满电后以1C电流恒流放电至有单体电池电压降为2.7V时截止，放电曲线如图5所示。重新充满后，启动均衡管理后仍以1C电流恒流放电至2.7V时截止，放电曲线如图6所示。图7为启动均衡前后Cell3放电工作电压对比曲线。从图5、图6对比可以看出，启动均衡后电池单体放电到截止的时间不断后延，表示电池组放出了更多的电能。根据图7可以计算出，启动均衡后Cell3的可用容量增加接近6.2%。由此可见，均衡系统改善了电池组不一致性，提高了电池组容量利用率。

图6 启用均衡后锂电池组放电曲线

图7 启用均衡前后Cell3放电对比曲线

4 结论

对磷酸铁锂电池组进行均衡管理，改善其使用过程中的不一致性，提高了电池组容量利用率，充分发挥每节电池单体的性能，同时调整了性能较差电池充放电工况，延长电池组使用寿命。本文以功率电感作为能量传递媒介构建双向均衡电路，建立适用于电池充放电阶段的均衡管理策略。最终实验证明，在锂电池组充电和放电模式下均衡管理方案行之有效。

［1］王震坡，孙逢春，张承宁.电动汽车动力蓄电池组不一致性统计分析[J].电源技术,2003,27(5)：438-442.

［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(1)：62-63.

［3］PARK H S,KIM C E,MOON G W,et al.Charge equalization with series coupling of multiple primary windings for hybrid electric vehicle Li-ion battery system[J].IEEE,2007(6):266-271.

［4］黎继刚，张寅孩，林俊，等.基于DSP的动力锂离子动力电池奇偶均衡充电电路[J].工业控制计算机，2009,22(7)：90-92.

［5］魏学哲,孙泽昌,邹广楠.模块化的HEV锂离子电池管理系统[J].汽车工程,2004,26(6):629-631.DOI:10.3321/j.issn:1000-680X.2004.06.001.

［6］王飞,李波.基于Cuk变换器的电池均衡控制策略分析[J].汽车科技,2008(3):36-38.