电动汽车锂离子电池组充放电均衡器及其均衡策略探究

吴峰

（顺德职业技术学院，广东佛山，528300）

电动汽车锂离子电池组充放电均衡器及其均衡策略探究

吴峰

（顺德职业技术学院，广东佛山，528300）

电动汽车发展目标是缓解全球能源枯竭的压力，其中动力源是电池组。通过对电池组有关技术的分析，从均衡器电路图入手，着重探究了电动汽车锂离子电池组充放电均衡策略，以及均衡器应用该策略时的工作原理和特点。研究表明：均衡器电路开关数目m和单体电池个数n之间满足m=2(n+1)的关系；在电池充电过程中，电池组中能量最强的单体电池向均衡器放电；在电池放电或静置过程中，均衡器对电池组中能量最弱的单体电池充电。以上机理可对所有锂离子电池组的研发提供具体指导。

锂离子电池组；充放电；均衡器；均衡策略

引言

电动汽车锂离子电池组的充放电状态各自采取不同的均衡策略，且各具特色[1-5]。对均衡策略的深入分析有助于促进锂离子电池组研发企业的发展，使锂离子电池在各电器中具有更加良好的使用体验，服务于民。下面就围绕这两种均衡策略进行论述。

1 均衡器拓扑电路及均衡策略

1.1 均衡器拓扑电路

均衡器拓扑电路如图1所示。可以看出，电路由A组开关、B组开关、电感器L、功率开关M、电压源E和续流二级股D组成。其中A组开关、B组开关和功率开关M都是金属—氧化物—半导体场效应晶体管（MOSFET），电压源E是外部蓄电池。为防止电池出现短路现象影响正常使用，在A组开关和B组开关上均串联了二极管。均衡器拓扑电路在使用过程中，根据电池数目和电流大小选择金属—氧化物—半导体（MOS）开关，并且为了降低开关能量的损耗，通常选择电阻比较小的MOS开关进行管理。在二极管的选择方面，尽量选择电阻比较小的肖特基二极管。

图1 均衡器拓扑电路图

1.2 均衡策略

如果在均衡电路中使用的储能元件和耗能元件都不同，那么组成均衡器的是开关电阻元件和电感元件。开关电阻元件中均衡电流非常小，大约在100～200 mA之间，并且在电阻器上安装散热装置；而电感元件则是通过在电感器中产生的电流变化均衡电池组中的电流，均衡电流具有很强的可控性，在应用过程中，随着电池组单体电池电能流向的不同，均衡策略通常可分为以下几种：

第一种，电池在充电过程中，荷电状态中能量最高（即SOC值最高）的单体电池处于均衡放电的状态，其中产生的电能有两种去向，一是被电阻消耗掉，二是返回到电池中，这就使得这类均衡策略属于单相传递，在这一过程中只能通过单体电池的放电供整个电路消耗；

第二种，也是在电池充电过程中，电池组中的能量只在相邻的电池中传递，从而实现对单体电池进行多次充电。这种均衡策略的局限性是大大降低了电池的使用寿命，同时电路的消耗也较大；

第三种，电池在放电过程中，对电池组中SOC值最低的单体电池进行充电。和第一种充电过程有一定的相似性，也属于一种单向均衡策略。

2 均衡器工作原理及特点

2.1 均衡放电控制策略和工作原理

如果电动汽车锂离子电池组需要充电，此时电池组中能量最高的单体电池开始放电，这些电能被转移到均衡器中存储起来，以便电池组电能耗尽时利用这些能量对电池组进行充电，从而满足持续供电的需要。具体工作原理和控制过程分别如图2和图3所示。

图2 均衡放电工作原理图

图3 均衡放电控制原理图

如图2所示，若Cell1的SOC值最大，放电开关A2和B1连通后，Cell1向电池组中充电。一旦A2闭合，均衡器通过回路②把电感中的能量储存起来，均衡时对B1进行脉冲宽度调制（PWM），保证A2始终处于通电状态。

从图3(a)可以看出，均衡电路属于Buck斩波电路，其中U为该电池正常运行时的电源。电池组在均衡策略中，均衡电路通常有两种工作模式：一是电流连续模式，二是电流断续模式。开关的驱动信息号和均衡电流波形如图3(b)所示，通过调节均衡器中的占空比，就可以调节均衡电流的大小。

2.2 均衡充电控制策略和工作原理

电动汽车锂离子电池组在放电或静置时，电池组中SOC值最低的单体电池受到充电，其能量主要来自于均衡器。也就是说，电池组中SOC值最高的单体电池在放电过程中的能量，以均衡器为中介，供应给SOC值最低的单体电池，使其充电。静置时，能量弱的电池也单独受到能量补充，从而提高整个电池组的储能。在此均衡电路中应用的也是Buck斩波电路。

2.3 均衡策略特点总结

每个电动汽车锂离子电池组充放电均衡器包含了很多个单体电池的均衡模块。通过章节2.1和2.2的论述，总结这些均衡模块具有以下三个特点：

首先，该电路中的开关数目和单体电池有很大联系，即

其中，m表示开关数目，n表示单体电池个数；

其次，电池在充电过程中，电池组中能量最强的单体电池向均衡器放电；

最后，电池在放电或者静置过程中，均衡器对电池组中能量最弱的单体电池进行充电。

3 结束语

综上所述，电动汽车锂离子电池组充放电均衡策略，是以电感为储能原件，充电时能量最强的单体电池放电为原则的。均衡电路可控性和能量转换效率大大提高。在前人工作的基础上，首先探究了均衡器拓扑电路及均衡策略，其次分析了均衡器工作原理及特点，希望对所有锂离子电池组研发机构在充放电均衡策略上的研究有引领作用。

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[4]焦东升, 王海云, 朱洁, 等. 基于离散Fréchet距离的电动汽车电池健康状态诊断方法[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(12):

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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

吴峰(1984-)，男，汉族，广东汕头人，本科，实验师。主要研究方向：汽车检测与维修技术。