新型动力电池均衡器的设计

刘佳庚+++赵美红

摘 要：本文将围绕新能源汽车动力电池组充放电过程容量不均衡、电池组整体性能下降这一问题开展研究，设计出了一种可根据荷电状态差异程度来调节单体电池充放电的高效均衡器，实验表明：改进的新型均衡器有效提高了动力电池组的整体性能，对推动新能源汽车的发展奠定了重要基础。

关键词：动力电池；均衡器；均衡控制；荷电状态

中图分类号：TN929 文献标识码：A

0.引言

动力电池均衡器目前有3个基本形式：电阻式、电容式、电感式。电容式均衡器拥有使每个电池具有相同的电压，使较高电压与较低电压之间进行能量的转移，但是由于无法控制励磁涌流，在电池电压差异较大时会出现纹波电流流入电池，因此均衡SOC时它们不允许有任何的电压差；电感式均衡器是不依赖于电池电压而补偿电池的内部电阻，且能够提高均衡電流，在高电压电池间最大限度在相邻电池间分配电流，而不是平均分布在所有电池中，这种情况需要在每个电池上都有大量的元器件，并且需要控制器有较高的处理能力。

1.均衡器拓扑结构

改进的均衡控制电路系统由开关模块、检测模块、控制模块、均衡模块组成，以电感和电容之间的不同结合构成的非能耗型均衡方案，本均衡电路由电感L、电容C和高速开关管开关管组成，通过改变高速开关管开关开断顺序以及占空比来实现均衡过程。

检测模块将各个电池的参数检测值传送给控制模块的中央处理器，中央处理器根据所检测到的参数计算出各个电池的充电＼放电状态值，将状态值最高的电池与状态值最低的电池进行配对，通过开关模块接入，将其进行均衡管理，由于是非能耗均衡，在均衡的过程中能量只在电池内部转化。待均衡结束后再重新检测，完成一个循环周期。

2.新型均衡器工作原理

整个均衡过程需要经过3个阶段：1[t1-t2]：MOSFET开关管Q2、Q3导通，接通Bi，单体Bi将电荷传递至电感L上，L处于充能状态。2[t2-t3]：开关管Q2、Q4导通，由于电感特性，经过L的电流不能突变，存储的能量沿着 回路慢慢衰减，进而实现了对电容C的储能，由于加上电感和电池的电压，电容C上储存的电压高于电池电压，在阶段1和阶段2过程中，电感的L两端的电压UL对时间的积分为零。3[t2-t3]：断开Bi，接通Bj开关管Q1、Q4导通，电容对低电压电池进行充电。

3.控制策略及仿真

假设B1向B2传输能量，不考虑损耗和误差将均衡器看成是一个理想变压器的组合如图1所示。

本方案中均衡电路的电感，开关均比传统均衡器有所减少，而且打破了只能相邻电池之间传递能量的限制，任意两个单体电池只要状态值差偏大，都可以配对成功，触发均衡电路，改进的均衡电路不仅开关数目减少，电感数目减少，而且相应的驱动电路也减少。这样并且可以在动力电池组的任何运行状态下实现一致性管理。

设计仿真电路原理图，两组开关为导通压降为0.3V的MOSFET，其开关频率为1Hz，电感为0.1mH，电容为200μF。仿真实验选用两个标称电压为10V的动力电池，内阻为2mΩ，两个单体动力电池的初始SOC为别为70%，80%。均衡过程中，动力电池Bi向动力电池Bj传递能量，图2为电容两端的电压情况。

通过进行实验得到两个电池之间的SOC变化状态如图7所示。

通过图3中SOC变化曲线可见，两单体电池的SOC值基本一致，故改进后的均衡器有效的完成了均衡，并且弥补了其他均衡器的不足。

结论

提出一种根据SOC荷电状态进行充放电调节均衡电流的控制电路，控制电路能够通过监测到的SOC状态，通过最优化算法，选出两个电池进行配对均衡，再由MOSFET的开断来控制整个均衡电路的工作。实验结果验证了该电路的有效性，并且节能环保，避免了传统电池均衡器的相邻电池均衡的弊端，使不需要均衡的电池不用参与均衡过程，大大提高了均衡电路的工作效率，同时也降低了电池进行充放电工作时的损耗，对改善电池均衡状态、提高工作效率、降低损耗上有一定的实际应用价值。

参考文献

[1]赵美红，刘佳庚.基于非线性模型的动力电池容量损耗的预测[J].可再生能源，2016（7）：1067-1071.

[2]蔡信健， 吴振兴， 孙乐，等. 直流电压不均衡的级联H桥多电平变频器载波移相PWM调制策略的设计[J].电工技术学报，2016， 31（1）：119-127.