三元锂电池电压被动均衡维护方案研究

赵 权，周 琰，赵 胜，李霞林，魏 玮

应用研究

三元锂电池电压被动均衡维护方案研究

赵 权，周 琰，赵 胜，李霞林，魏 玮

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

为改善三元锂电池系统串联电池的一致性，提出了一种电压被动均衡维护方案，通过脉冲控制设计，使电压均衡和电压采样解耦，规避均衡带来的不利影响，同时设计两种维护场景，提供更全面的均衡维护保障。

三元锂电池 被动均衡 脉冲控制

0 引言

在我国低碳政策引导下，锂电池在军用和民用绿色动力能源、储能方面成为了新能源的焦点。其中，三元锂电池因高能量密度、大功率持续放电性能强[1]等优势在无人航行器领域获得了大量应用。锂电池系统使用电池串联—并联结构，提高电压等级和能量。多个并联电池分支互为能量冗余，每一支路使用单一串联模型利于单体电池的可测性和维护性，电池均衡也在串联结构中实现。

目前，电池均衡按照能量处理方式可分为主动均衡[2-3]和被动均衡[4-6]。主动均衡为能量转移方式，通过外围电路将高电压电池能量转移到低电压电池；被动均衡为能量耗散式均衡，是将高电压电池能量释放到低电压电池的电压水平。主动均衡效率高，能量利用率高，但电路结构复杂，可靠性低[3]，因此被动均衡在实际应用中占据了重要的位置。主动均衡和被动均衡目前由于技术局限性，均以电压一致性为目标，因为电池内阻和线阻的存在，电池均衡时会将上述参数的电压损失耦合到电池电压采样中，进而破坏电压均衡基准。

本文提出了一种控制方案通过脉冲控制解除电压均衡和电压采样的不利耦合，同时为提高均衡维护能力，设计了两种维护场景/时机，更全面的保障电池性能。

1 被动均衡原理和不利耦合

1.1 被动均衡原理

图1 被动均衡放电电路

电池被动均衡通过电池单体旁联电阻进行放电，在充电时表现为减少充电电流。

如图1所示，C2和C1分别是一个电池的高低电位点。当电池电压较高时，S2输出低电平，控制MOS管Q2C开通，电池通过R2M放电或分担充电电流，从而达到电压均衡目的。

1.2 被动均衡与采样的不利耦合

理论上电池电压均衡和电池电压采样可以同步，但在实际应用中，因为电池内阻、线阻因素，电池均衡载荷对电压采样产生了不利影响。

图2 单一电池均衡和采样耦合

当考虑单一电池均衡时，如图2所示，在基位电池Battery2的均衡和采样耦合模型中，r20和r21为电池内阻，rm1和rm2为采样电路和均衡电路公共线路阻抗。由于均衡载荷（方向如箭头指向）经过公共线路会在r20、r21和rm1、rm2上产生电压损失，导致SC1电位点偏高，SC2电位点偏低，使得电池电压采样数据（SC2-SC1）偏低。单边SC1作为低端相邻电池的高电位点，其偏高也将使低端相邻电池电压采样数据偏高；单边SC2作为高端相邻电池的低电位点，其偏低也将使高端相邻电池电压采样数据偏高。在这种情况下，均衡控制效果将极大偏低于目标。

当考虑相邻电池同时开启均衡时，电路状态与电池均衡载荷相关，如图3所示。

1）当相邻电池均衡载荷大于基位电池均衡载荷时，高端和低端相邻电池均衡载荷方向为逆时针，电池内阻和线阻表现为电压损失，使得电压采样数据偏低；基位电池载荷模型中，线阻表现为电压增益，电池内阻表现为电压损失，电压采样数据变化方向由增益、损失两者中的最大者决定。

2）当相邻电池均衡载荷等于基位电池均衡载荷时，基位电池双边线路阻抗rm1和rm2上无载荷。高端和低端相邻电池均衡载荷方向仍为逆时针，电池内阻和线阻表现为电压损失，使得电压采样数据偏低；基位电池由于电池内阻上的电压损失，同样使得电压采样数据偏低。

3）当相邻电池均衡载荷小于基位电池均衡载荷时，基位电池均衡载荷方向为逆时针，内阻和线阻表现为电压损失，使得电池采样数据偏低；高端相邻电池低电位边线阻rm2表现为电压增益，电池内阻r30、r31和线阻rm3表现为电压损失，低端相邻电池高电位边线阻rm1表现为电压增益，电池内阻r10、r11和线阻rm0表现为电压损失，高端和低端相邻电池采样数据变化方向由各自负载回路增益、损失两者中的最大者决定。

图3 相邻电池与基位电池的电池均衡和采样耦合

其他如高端相邻电池均衡载荷较大而低端相邻电池均衡载荷较低的情况可以同理分析，与电池电压采样同样产生不利耦合。

2 被动均衡维护方案

2.1 被动均衡脉冲控制方案

电池均衡以电池电压采样数据为基准数据，而电池均衡带来的不利耦合将降低基准数据的准确性，并最终影响均衡效果。

为避免均衡带来的不利耦合，需要消除均衡和采样电路耦合部件，即电池内阻、线阻。线阻耦合可以通过使用独立的采样线从电池极耳处直接引出的方式进行消除；但电池内阻通过电池材料和结构优化只能减小，无法避免，因此从耦合部件方面进行处理无法解决问题。

利用时间分离原理，将电池均衡和电池采样分配不同的碎片时间。在均衡电路的MOS管栅源端，使用脉冲进行控制。脉冲高电平时，MOS管开通，均衡开启；脉冲低电平时，MOS管关断，均衡关闭，并在此段时间进行电池采样。调节脉冲占空比即可控制电池均衡速率。

由于电池均衡和电池采样分别使用脉冲的高电平段和低电平段，工作时间不重叠，因此在时间线上解除了耦合，保证了电池均衡和电池采样的宏观兼容。

图4 均衡控制时序

2.2 均衡维护时机/场景

通常电池均衡跟随电池充电任务一起进行。在充电过程中，通过识别电池组各电池单体电压状态，决策是否开启均衡。由于被动均衡是能量消耗型，在充电结束后，开启均衡等于消耗电池能量，会降低后续作战任务保障性，所以充电任务结束，均衡也便结束。

在实际应用中，充电时间作为一个性能要求，当电池一致性较差时，很可能因为充电时间限制，无法达到均衡目标。因此，除充电均衡外，还应设计一个独立的电池维护任务场景。

均衡根据设计场景分为充电均衡和待机均衡：

1）充电均衡，随充电进行，为兼容充电和均衡，在充电时间限值下，达到电池组充满条件，并接近（可能完成）均衡目标；

2）待机均衡，在日常维护（无作战任务）时进行，此时电池动力负载为0，开启均衡将高电压电池的能量进行泄放，整个均衡过程中，只有内部均衡载荷。

图5 被动均衡维护场景设计

3 结论

本文针对三元锂电池，介绍了电压被动均衡原理，详细分析了被动均衡和电池电压采样的不利耦合因素，在此基础上，提出了一种脉冲控制方案进行时间解耦，此外，为改善均衡能力设计局限，明确了两种均衡维护场景，更全面地保障电池一致性。本文提出的均衡维护方案技术可行，应用性强，具有较强的参考意义。

[1] 殷志刚, 王静, 曹敏花. 镍钴锰三元电池与磷酸铁锂电池性能对比[J]. 电池工业, 2021, 25(3): 136-142.

[2] 翟二宁, 滑娟, 崔晓宇, 等. 动力电池组主动均衡系统设计与实现[J]. 电源技术, 2020, 44(2): 249-252.

[3] 孙炜煊. 电动汽车动力电池组主动均衡策略研究[D]. 西安: 长安大学, 2019.

[4] 刘威, 王友仁, 许煜辰, 等. 基于自适应选择主被动均衡拓扑的机载锂电池电源能量均衡方法[J]. 仪器仪表学报, 2022, 43(2): 244-252.

[5] 王青山, 周德维, 许阳, 等. 一种船用BMS被动均衡控制电路:CN202011055114.8[P]. 2021-01-05.

[6] 胡亮, 王翰超, 王云, 等.一种新能源汽车电池管理系统被动均衡的方法及系统:CN202010505834.3[P]. 2020-10-20.

Study on the passive voltage equalization maintenance for ternary lithium battery

Zhao Quan, Zhou Yan, Zhao Sheng, Li Xialin, Wei Wei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TP23

A

1003-4862（2023）09-0018-03

2022-08-22

赵权（1993-），男，工程师，研究方向：电源控制系统。E-mail：1318609555@qq.com