一种削峰填谷式锂电池均衡电路

2018-08-22严利民张婷婷

电动工具 2018年4期

严利民，张婷婷

（上海大学，上海 200072 ）

0 引言

动力锂电池广泛应用于电动汽车、电动工具、通讯设备、医疗设备、航空航天等多领域中，逐渐成为电池市场的主流产品。受电池自放电比率、制造工艺、外部环境等因素影响，单体锂电池之间的差异普遍存在，锂电池组在工作状态时或受影响，特别是包含大批单体锂电池的电池组。考虑到“短板效应”存在，需对单体锂电池的状态进行测量和收集，以保证其位于安全阈值内，防止因单体失效继而影响电池组的工作机能。锂电池均衡电路常被用于电池管理系统（Battery Management System，BMS）中，该系统功能主要涉及电池充放电管理、温度检测、电压电流检测和单体电池间的均衡。本文设计一种削峰填谷式的主动均衡控制电路，结合并行填谷式均衡电路和削峰均衡电路优势，两个电路模块协同工作，互不冲突，经仿真测试，均衡效果显著。

1 现状分析

1.1 电池均衡技术

目前，电池组均衡策略主要为被动型均衡和主动型均衡两种。被动型均衡仅对电池组整体性均衡，无法有效地对单体锂电池端电压进行调控。主动型均衡通过对均衡电路的控制实现均衡过程的控制与优化，自我调节能力强。

依据均衡能量的使用情形，分为能量耗散型和能量非耗散型两种。能量耗散型的能量除用于电池组均衡之外，一部分以热能形式消耗，该方式能量利用效率低。能量非耗散型的能量利用效率较高，但控制策略较复杂，因而是均衡拓扑技术的重点研究对象和未来发展趋势。

1.2 反激式变换均衡

正激式变换和反激式变换均为主动均衡中的非能耗型均衡方法，因正激式变换均衡存在变压器内部漏感和互感以及二次绕组一致性较高等缺点，故本文电路设计选择基于反激式变换均衡电路。图1为反激式变换器电路拓扑。电路由均衡斩波MOS管Q、整流二极管D、电容Cf和变压器组成。开关管Q由控制单元发出的PWM信号进行控制，当PWM信号有效时，系统开始均衡。PWM信号一般是占空比为D的方波，当PWM信号为高电平时，变压器的原边电感储存能量，副边二极管D1反向截止，副边均衡电路不工作；当PWM信号由高电平改为低电平时，变压器副边电感电压瞬间反转，D正向导通，副边均衡电路开始工作，对电容Cf和电池B1进行充电，只要斩波MOS管的栅极一直存在有效的PWM信号，锂电池组就持续不断地对B1进行能量补充。

图1 反激式变换器电路结构

根据占空比的大小，该电路可工作在不同模式下。当占空比大于临界阈值时，该均衡电路处于电流连续工作模式，即副边电流的值不会下降至零；当占空比小于临界阈值时，该均衡电路处于电流断续工作模式，即在副边均衡电路工作时，在斩波MOS管再次导通之前，副边均衡电流已降为零。断续模式下，斩波MOS管漏极的尖峰电压更小，变压器响应速度加快。文献[3]设计了一种基于反激式变换器的锂电池组均衡电路，当单体电池容量小于平均容量时，执行充电均衡，反之执行放电均衡。这种实现均衡的方法或可导致对低电量电池重复冲放，需进行多次均衡才能达到所需效果，从而造成了能耗的浪费和电池寿命缩短。

考虑现有均衡电路的不足之处，在反激式变换电路的基础上加以优化，可充分发挥其优点，以达到更好、更高效的均衡效果。

2 改进设计

2.1 多斩波MOS均衡电路

基于反激式变换均衡拓扑结构工作原理，首先设计一种多斩波MOS均衡电路，如图2所示。每一节单体电池对应一个独立的均衡子电路模块，拓扑架构较大程度降低了电路工作故障率。

该电路模块使用锂电池组的能量为电量较低的单体锂电池进行充电均衡，各均衡模块独立并行运作，系统可同时对多节单体电池进行并行均衡，均衡效果显著。n节单体电池就对应n个斩波MOS管，系统上电复位后，MCU检查采样电池组状态。假设B1电量最低，MCU通过发送PWM1信号，斩波管Q1开始工作，对B1进行均衡。此均衡电路的优点是每节电池都有自己的均衡电路，达到并行均衡目的。

被放置在原边的MOS管需要更高的耐压性，从而导致电路存在较大发热量且设计成本上升，所以无法满足实际需求，需进一步优化。

2.2 改进的协同工作均衡电路

图2 多斩波MOS均衡电路

以上设计的多斩波MOS均衡电路支持同时对多节单体电池进行均衡，均衡的能量来源于整个电池组，即并行填谷式均衡。该均衡策略不足之处：电路仅可实现对较低电压单体锂电池的上拉，对电压较高的单体锂电池的下拉则不理想。为改善这一现象，考虑到并行填谷式均衡是电池组——单体电池模式，从能量转换的角度，在优化过程中为电路设计了另一模块——削峰均衡电路模块，该模块是单体电池——单体电池模式。模块拓扑结构如图3所示，B2是电池中电压最高的，Bn是电池中电压最低的。工作时，采样得到的电压信息，经SELn信号选通Qna、Qnb，对电容充电。充电完成后，Qna、Qnb关断，经SEL2信号选通Q2a、Q2b，充电电容Ccharge开始对B2执行均衡，关断Q2a、Q2b之后，即可实现削峰均衡。最终设计的削峰填谷均衡电路有效结合了两种技术的优势，电路模块完美兼容，协同工作，显著提升了均衡效果。

3 实验分析

针对所设计的削峰填谷式均衡电路就初始状态不相同的锂电池组分别进行了充、放电均衡实验，实验结果如图4所示。均衡充电的充电电流设置为3 A，充电截止电压阈值为4.2 V，充电均衡电池组电压曲线如图4(a)所示。均衡放电的放电电流设置为4 A，截止电压阈值为2.7 V，放电均衡电池组电压曲线如图4(b)所示。

图3 削峰填谷均衡电路

图4 削峰填谷充放电均衡实验波形

表1为实验开始和结束电压数据记录。对于充电均衡实验，电池组充电初始状态电压极差为536 mV，充电结束后电压极差为9 mV，均衡耗时30 min。对于放电均衡实验，电压极差从开始的117.2 mV均衡至9.6 mV，均衡时间约为98 min。实验结果表明，采用削峰填谷式均衡电路能够有效地完成电池组均衡，且电池能量基本得到释放，电池利用率获得较大提升，有效延长电池组工作时间。