动力锂电池组均衡方法综述与分析_刘兴涛

锂电池组中某节电池接近其最大充电电压，或者 电流接近其临界值时，电压、电流比较器控制电阻均 衡开启，按比例分流，直到所有单体电池均达到额定 电压值。 与电源管理 IC 控制的均衡策略相比， 该方法 不需要智能控制，成本较低，且利于模块化设计，但 该方案依然有前述电阻耗散均衡的各种缺点。 针对电阻耗散式均衡的种种不足之处，科研工作 者提出了许多解决方案。Antonio Manenti 等人[7]在电 流分流式均衡的基础上，提出了一种冗余均衡方法， 其均衡电路拓扑如图 3 所示。 若原锂电池组由 n 节单体锂电池串联组成，则额 外串入一节电池， 整个锂电池组有 n+1 节单体锂电池。 在锂电池组放电过程中，电源管理系统实时检测各单 体锂电池负载电压， 通过 IC 输出控制信号将负载电压 最低的锂电池从放电回路中切断。若第 Bn 节电池负 载电压最低，则控制 MOSFET 管 Qn2 关断、Qn1 导 通，Bn 从放电回路中断开；随着放电过程的进行，剩 余电池中某节单体锂电池负载电压低于 Bn 时，则将 该节电池从放电回路中切断，同时 MOSFET 管 Qn2
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978-1-935068-81-5 © 2011 SciRes.
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导通、Qn1 关断，Bn 继续工作。本均衡方法不含产热 量极大的均衡电阻，能量损失很小。电动汽车用动力 锂电池组电压达几百伏电流上百安，MOSFET 管直接 将电池从回路中切断难以实现，因此本方案在电动汽 车领域应用有很大困难，可用于电压电流都较低的应 用场合。
动力锂电池组均衡方法综述与分析
刘兴涛 1，何耀 1，陈立 2，张陈斌 1，陈宗海 1
1 2
中国科学技术大学自动化系，合肥，中国，230027
合肥国轩高科动力能源有限公司，合肥，中国，230011 Email: xingtao@, chenzh@
摘 要：对动力锂电池组内的不一致性进行均衡是电动汽车电源管理系统的重要功能。研究人员为加 快均衡速度降低均衡中的损耗做了大量的研究工作，均衡的方法主要有电流分流法和能量转移法。本 文介绍了均衡方法的研究进展，包括基于电压和基于荷电状态（SOC-State-of-Charge）的均衡方法，在 此基础上讨论了这些方法在应用中存在的优缺点及锂电池内阻、开关、均衡器件等对均衡效率的影响， 分析了当前研究有待深化的地方，对均衡的发展趋势进行了展望。 关键词：动力锂电池组；电源管理系统；均衡；荷电状态
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Summarizing and Analyzing Balancing Methods of Power Li-ion Batteries
Xingtao LIU1, Yao HE1, Li CHEN2, Chenbin ZHANG1, Zonghai CHEN1
作者简介：刘兴涛(1985-)，男，河北石家庄人，博士研究生，主要 研究方向：电源管理、电动汽车。陈宗海(1963-)，男，安徽桐城人， 教授，博士生导师，主要研究方向：复杂系统的建模仿真与控制， 机器人与智能系统，量子系统控制与量子态操纵。
钴酸锂电池等相继出现，锂电池性能提高明显；但锂 电池组内单体电池间的不一致性依然普遍存在。锂电 池的各个参数在生产过程中无法控制到完全一致，不 可避免的存在一些微小的差异，这些差异表现为锂电 池内阻、容量、开路电压等的不一致。随着锂电池在 电动汽车实际使用中充放电次数的增多，以及温度、 自放电等因素的影响，这些差异将被放大，使得锂电 池组电池间的性能差异越来越大。过充和过放会对锂 电池造成不可恢复的损害，串联锂电池组的容量由组 内最低的单体电池容量决定[3,4]，故一旦有某个电池出 现深度放电，整个电池组就必须停止工作，同样，一 旦有某个电池出现过度充电， 充电过程也要立即停止， 否则电池寿命会严重衰减，甚至引起安全隐患。可能 出现的极端情况是，锂电池组内某些单体锂电池容量
电感式均衡指将电感为电池间能量转移的介质。 2000 年，K. Nishijima 等人[10]提出一种 PWM 控制的 电感式均衡策略，其电路拓扑结构如图 5 所示。
B1 C1
Bn+1
B2 C2
IC
Qn1
IC
Qn2
B3
Bn
Figure 4. Capacitance balancing circuit 图 4. 电容式均衡电路
A IREF A
Rn
R1n VFBn Bn
2.1 电流分流法
电流分流法为串联的单体锂电池提供一个分流支 路，电源管理系统通过调节分流支路上电流的大小来 实现均衡控制。 电阻耗散式均衡 [5] 是一种典型的电流分流式均 衡，它的结构和控制策略简单。图 1 是电阻耗散式均 衡的电路原理拓扑。
K1
VREF VFBn
PWM L2
B2
Q2
Q4 B3
Figure 5. A PWM controlled inductance balancing circuit 图 5. PWM 控制的电感式均衡电路
图 5 中，PWM 信号控制的 MOSFET 管一个为 P 沟道，另一个为 N 沟道，通过调整控制信号的占空比 调节两个 MOSFET 管的导通关断时间。若电池 B1 电 压高于 B2，则 Q1 导通 B1 为 L1 充电，充电停止后 Q2 导通 Q1 关断，L1 为 B2 充电，实现二者之间的均 衡。实验结果显示对于数量较少的单体锂电池串联组 成的锂电池组能够较快的达到均衡。 Yin-Hai Zhang 等人[11]在图 5 电路拓扑的基础上设 计出一种奇偶均衡电路，把电池组中单体划分为奇偶 序列，并据此建立前向均衡和后向均衡模块，可以在 充电过程中实现均衡，有效避免过充。奇偶均衡电路 拓扑如图 6 所示。Moo, C.S 等人[12]和 Karnjanapiboon,
R2n
Figure 2. Analog resistor balancing circuit 图 2. 模拟信号控制的电Kn
R2
Bn
Rn
Figure 1. Dissipative resistor balancing circuit 图 1. 电阻耗散式均衡电路
每一节单体锂电池并联一个均衡电阻，某节 ( 例 如： B2)电池电压高于其他电池， 当其与其他电池的电 压差异超过某值时， 电源管理系统控制的多路开关 K2
1
Department of Automation, University of Science and Technology of China, Hefei, China, 230027
2
Hefei Guoxuan High-tech power energy Co. Ltd, Hefei, China, 230011 Email: xingtao@, chenzh@
2 基于电压的均衡方法
基于电压的均衡方法是指通过单体锂电池的负载 电压差异来判断锂电池组的不一致性情况，据此控制 电源管理系统均衡模块的开启和关闭。基于电压的均 衡方法是一种较简单的均衡策略，也是现在应用最广 的。下面将在基于电压均衡的基础上分电流分流法和 能量转移法分别进行介绍。
合上，电池 B2 通过均衡电阻 R2 分流，使 B2 电压下 降，如此反复循环实现锂离子电池组各电池单元间的 均衡。此方案结构简单、可靠，控制策略复杂度低， 但电阻会消耗电能并发热， 这对均衡电流形成了制约。 考虑均衡电阻的产热，均衡电流设置为 20mA，若该 节电池与其他电池的容量差为 1AH，则需要 50 小时 的均衡时间。另一个缺点是均衡过程中，均衡电阻消 耗了锂离子电池组的电能。电阻耗散式均衡方法均衡 效率较低，难以达到快速均衡的要求，可作为便携式 电子产品中锂电池的均衡方案。 2010 年 Lin Hu，Meng-Lian Zhao 等人[6]提出一种 基于模拟信号控制的电阻分流式均衡方法。该方法用 电压、电流比较器实现对电阻分流支路的控制，其电 路拓扑结构如图 2 所示。
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已达最大容量，某些则已至最低容量，导致整个锂电 池组既无法充电也无法放电。 电源管理系统的均衡功能可以有效的均衡锂电池 组内的不一致性，削平电池间的差异，对于延长电池 寿命降低成本具有重要意义。现有均衡方法按照均衡 原理分为电流分流法和能量转移法，按照均衡的判断 准则可分为基于电压的均衡和基于 SOC 的均衡。 本文 总结了各种动力锂电池组均衡方法的实现原理，对重 要方法进行了介绍和评价，对影响均衡效率的因素进 行了分析，并指出锂电池组均衡今后发展的方向。
Abstract: Balancing the inconformity of power Li-ion batteries plays an important role in battery management system of electric vehicles. A lot of research has been done to speed up balancing and reduce the loss in balancing while shunting balancing methods and energy convertor methods are the main balancing methods. The research is summarized by introducing balancing methods based on battery voltage and state-of-charge. Advantages and disadvantages of these methods during application are discussed, and the impact of battery internal resistance, switch and balancing components on the balancing efficiency is coverd. The limitation of current research is pointed out, and trend of balancing methods is given. Keywords: Power Li-ion Batteries; Battery Management System; Balancing; State-of-charge
1 引言
随着能源危机和环境污染的加剧，节能环保的电 动汽车成为研究的热点。动力型锂电池具有能量密度 高，循环寿命长，自放电率低，污染小等优点，逐渐 成为电动汽车的首选动力源[1,2]。为确保锂电池安全、 长寿命运行， 需对动力锂电池组进行正确有效的管理， 动力锂电池组的性能参数检测和控制成为影响电动汽 车性能的关键因素。 电动汽车发展的关键是电池。虽然近年来锂电池 技术有了巨大的进步，磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、
Q1
Figure 3. A added battery balancing circuit 图 3. 冗余均衡电路
Q3
B1 L1 PWM
2.2 能量转移法
解决电阻耗散式均衡能量损失和产热量大的另一 个解决方案就是能量转移法。顾名思义，能量转移法 即指通过某种介质将能量从高电压电池转移至低电压 电池中，削平其差异，达到均衡的效果。按照转移介 质的不同，能量转移法又分为电容式均衡、电感式均 衡和变压器均衡。 2.2.1 电容式均衡 电容式均衡[8,9]将电容作为储存能量的介质，通过 电容实现能量在锂电池间的转移。图 4 是电容式均衡 的典型电路拓扑图，通过电源管理系统采集得到单体 电池负载电压值，若电池 B1 电压高于 B2，则控制开 关将 C1 并联到 B1 两端进行充电，充满电后断开 C1 将其并联到 B2 两端，对其充电，以此实现电池 B1 和 B2 间的均衡。 图 4 中的电路拓扑结构，n 节电池需要 2n 个开关 和 n-1 个电容，若要在锂电池组中最前端电池和最末 端电池之间均衡则需要能量层层传递才能实现，均衡 速率较低。 2.2.2 电感式均衡