串联锂离子电池组的主动均衡控制研究

串联锂离子电池组的主动均衡控制研究

摘要：对于传统的主动均衡技术来说，通常情况下，存在着电量传递效率低、控制过程复杂等问题。为了彻底解决上述问题，本文结合电感、电容的电量转移技术，提出锂电池组主动均衡方法。均衡技术以boost技术和法拉电容为基础，在锂离子电池组中，可以在任何两个电池之间进行电量的传递，使得锂离子电池组在一定程度上实现电压均衡，并且可以将综合效率提高到84%，其特点主要表现为控制灵活、电量转移效率高等，静置状态下，可以进一步对大容量的串联锂电池组的电压进行均衡处理。

关键词：锂电池组主动均衡法拉电容boost

1 概述

随着人们的环保意识不断增强，人们对节能环保给予高度的关注，在这种情况下，新能源汽车逐渐成为汽车工业发展的主流趋势。而锂电池作为一项重要的因素，在一定程度上直接影响并制约着新能源汽车的推广和产业化。电池管理模块（Battery Management Module）对于电动汽车来说，是一个核心部件。在发展、推广电动汽车的过程中，电池管理技术是一项关键技术[1]。对于锂离子电池来说，凭借自身能量密度高、工作电压高等优势，进而在一定程度上广泛应用于各行各业[2]。由于锂电池的工作电压通常情况下只有

2.5～4.2V，在实际应用中，为了提高工作电压，通常情况下，需要将若干只单体锂电池进行串联处理。但是，受生产工艺的影响和制约，在容量、电压、内阻及自放电率等方面，锂电池单体之间存在一定的差异，即使电池来源于同一批次，各个电池之间同样存在一定的差异性。在实际使用过程中，正是由于电池之间存在这种差异，进而在一定程度上严重影响锂电池的使用寿命，在这种情况下，需要对串联锂电池组进行均衡管理[3]。

2 锂电池组的均衡方式

对于锂电池来说，在实际使用过程中，通常情况下，通过被动均衡、主动均衡两种方式对锂电池组进行均衡[4]。其中，在充电过程中，被动均衡方式主要是利用均衡电阻对高电压单体电池进行放电处理，使得整组电池电压在一定程度上确保一致性。对于该均衡方式方式来说，同样存在缺点，主要表现为：对能源造成浪费，该均衡方式受放电电流的影响，不能在大容量锂电池组中使用。在电量转移方面，对主动均衡方法来说，其转移方式通常情况下包括电感、电容两种。其中，Boost/buck的电感均衡是进行电感转移的基础，利用电感均衡在相邻电池之间对电量进行传递，在一定程度上通过电量传递，进一步使电量由高电压电池完成向低电压电池的转移，其电量传递效率通常高于80%。这种均衡方式同样存在弊端，主要表现为：电量传递只能发生在相邻锂电

池之间，对于彼此不相邻的锂电池来说，为了进一步实现电压的均衡，通常情况下需要对锂电池的电量进行多次传递，在这种情况下，使得电量的传递效率进一步降低。在锂电池组中，由于单个均衡模块只能均衡两个相邻电池的电压。对于多串锂电池组来说，为了对电压进行均衡，通常情况下需要设置多个均衡模块，在这种情况下，使得系统在一定程度上变得越加的复杂。对于电容转移方式来说，在锂电池组中由于电压之间存在几毫伏到几十毫的差异，使得单次转移的电量不断降低，同时降低了转移效率[5]。

3 新型主动均衡方案的设计与分析

通过对电感、电容的电量转移技术进行综合分析，本文提出新的均衡方法，进而在一定程度上对锂电池组中的任意两节电池进行电量传移，与传统纯电容方式相比，提高了单次转移的电量[6]，如图1：

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图1 主动均衡系统的组成

电容控制单元如图2所示，该控制单元通常情况下主要包括：电容充电控制MOS管、电容电压检测单元等。其中，电容充电控制MOS管作为操作机构，能够对电容的充放电进行控制；电容电压检测单元能够对电容电压进行检测，同时将电压传递给主控单元，进而为设置Boost的占空比提供参考依据。

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图2 电容控制单元

对于该均衡方法来说，其工作过程为：锂电池组单体电池的电压，利用电压检测单元对其进行检测，是否启动均衡装置，需要由主控单元根据单体电池电压的实际情况，对锂电池组进行判断。对于电量传递，通常情况下，可以分为两部分，分别为电容充电部分和电容放电部分。

实践经验显示，利用3.8V的电池对初始电压为0的20F 的法拉电容进行充电时，在充电回路中，如果存在200mΩ

的阻抗，并且不对充电电流进行控制，在这种情况下，在6s 内电容电压从0V充至3.0V，而充至3.7V仅需15秒。根据公式（1）可以进一步计算电容充电时间，其中：F、R、UB、UC、UC0、UC1分别代表电容容量、充电回路中的等效电阻、电池电压、电容电压、电容初始电压、电容充电终止电压。通过适当降低电容充电终止电压，在一定程度上可以缩短充电时间，电容放电电流和均衡效率受Boost控制MOS管控制信号的占空比的影响。

t=F?R?■■dU■（1）

根据公式（2）计算的占空比。在电容放电初期，与被均衡电池的电压相比，电容电压比较低，并且两者之间存在比较小的差异，此时需要的占空比较低，随着不断延长电容放电时间，电容与电池之间的压差逐渐增大。在这种情况下，

如果不对占空比进行调整，会进一步降低放电电流，从增加了放电时间。通过对占空比进行调整，在一定的范围内对放电电流进行控制。

D■=1-■（2）

4 实验与测试

均衡静置过程中，利用该技术方案，对6串锂电池组的充电过程进行均衡，电容的放电电流为2A，放电终止电压为2V，电池电压值减去0.3就是充电终止电压。根据公式（1）可以计算，当电池电压为3.8V时，电容充电终止电压为3.5V，在这种情况下，电容充电时间为7.2s，充电平均电流为4.1A。选择两个20F串联的法拉电容模块对法拉电容进行处理，耐压为5.4V。Boost控制频率设定为2kHz。且偏压限设为

20mV，均衡前后的电压对比如表1所示，可以进一步改观电池均衡性。

表1 6串电池均衡前和均衡后电压比较表

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5 结论

通过上述分析，与现有的技术相比，主动均衡技术的特点主要表现为：①能够对锂电池组中的电压进行灵活的控制，利用本技术可以对电池组中任意两节电池进行电量之间的传递，对于传统的电感均衡方法只能在相邻的电池之间进行电量传递的问题，通过利用该技术，进而在一定程度上能