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电池均衡技术研究综述

摘要

越来越多的电动汽车要求高电压、高效率和寿命更长的电池系统。一个完整的电池系统包含以下几部分:保护电路，电池管理系统和均衡系统。在这三个部分中，均衡系统是与电池组寿命相关的最重要部分，因为如果没有均衡系统，单体电池电压会随时浮动。电池工作期间整个电池组的容量也将下降得更快，导致电池报废。当电池组中串联电池的数量较大（高电压的电池系统）并且频繁回馈制动时，这种情况尤其严重。本文介绍了20年间被提及的电池组均衡技术，将不同的均衡技术进行比较，并根据性质不同进行了分类。

关键词:电池；均衡技术；综述

1.引言

单体电池的不均衡在电池系统中是非常常见的，并且有多种原因。主要分为内在和外在两大类。内在因素包括器件制造规格不同、内阻抗不同和自放电率不同。而外部因素主要来源于一些多级保护电路，其在电池组中不同串联级的消耗不均匀。

均衡方法分为被动和主动两种，称为主动均衡和被动均衡。因为铅酸电池和镍电池在过充的情况下不会对电池造成永久性的损伤，所以被动均衡法只能用于铅酸电池和镍电池。当过充不太严重时，多余的能量通过单体电池温升释放出来。当过充太严重时，能量会通过电池上的放气阀以气体的形式释放出来。这是平衡这类单体电池串联组的常见方法。然而过充平衡只对串联数量少的电池有效，因为均衡问题随着串联电池的数量呈指数增长。一般来说，这是低电压的铅酸电池和镍基电池系统的一种低成本解决方案。

主动均衡的基本思想是利用外电路在单体电池间主动传输能量，从而达到单体电池均衡。主动均衡方法可以用于大多数现代电池系统，因为它们与电池特性无关。该方法是唯一适用于锂电池的均衡方法，因为锂电池的温度必须严格控制在安全运行范围内。对于三芯以上串联的锂铁电池组，一般应采用主动均衡。

本文重点研究主动均衡。主动均衡有多种类型。按能量流向分类，主动均衡可以分为四大类，分别是能耗型、单体到电池组、电池组到单体电池和单体电池到单体电池。

根据电路拓扑结构的不同，有三大类主动均衡方法。分别是分流法、穿梭法和能量转换法。本文将根据均衡方法的电路拓扑对其进行分类。

本文的组织方式如下：分流法在第二章中描述。常规穿梭法及其派生方法在第三章中进行了说明。能量转换方法在第四章中介绍。 然后在第五章中，根据均衡n个单体电池的电池组的成本，复杂性和模块化设计能力对这些方法进行了比较，并对方法的实际适用领域进行了讨论。第六章为结语。

II. 分流主动均衡

分流主动均衡方法是电池均衡最直接的概念。这种方法是从高电压电池中去除多余的能量，使得低压电池电压与之相等。根据该方法是否耗散能量，可以将其分为两个子类别。在使用能耗方法时，根据实际应用情况，必须在散热和均衡效果之间取得良好的平衡，因为过多的散热会增加热管理的难度。同样，电池温度不均匀也会加剧电池之间的不平衡。本章将介绍五种分流方法。

1. 能耗分流电阻

由于其可靠性和简单性，能耗电阻器是一种特殊的均衡方法。图1为能耗电阻均衡电路的基本拓扑。相同的拓扑可以在两种模式下工作：连续工作模式和检测模式。在连续工作模式下，所有继电器均由同一信号控制，即同时打开或同时关闭。继电器只在充电过程中打开，电压较高的电池充电电流较小，以等待其他电池充电。这种方法在整个充电过程中效率都较高，如果电阻值选择正确，则可能会非常高效。

在检测模式下，每个电池都加装电压监测器，智能控制器感知不平衡状态，判断是否接入能耗电阻，消除电池中多余的能量。

在任何一种模式下，电阻值均应根据实际情况确定。如果选择的电阻值使耗散电流小于10mA / Ah，则电阻的物理尺寸可能很小。一个10mA / Ah的电阻可以使电池以每小时1％的速率均衡。因此，这样的电路可能会在几天内耗尽电池组的电量。当电池处于独立模式时，应通过控制继电器将能耗电阻器从电池组中移除。尽管此拓扑不是一种非常有效的主动均衡方法，但可以将其用于许多低成本的应用中。

B. 模拟耗散分流

模拟耗散分流与电阻分流具有相同的思想。 唯一的区别是，它不使用电阻器，而是使用晶体管作为耗散元件。 图2为典型的模拟分流电路。

模拟分流电路的工作原理如下：当一个单体电池达到最大充电电压（由参考电压和分压器设置）时，电流将按比例分流到该单体电池周围，并且该单体电池将以恒定电压充电，直到电池中的最后一个单体电池达到最大充电电压。在这种方法中，电流仅在充电结束时分流，因此与连续模式下的电阻能耗法相比，它的能量损耗更小。与检测模式下的电阻能耗法相比，该方法不需要智能控制，因此成本较低。另外，该电路方法可以扩展到具有更多电池单元的更大电池组。这种适应性在模块化设计中非常重要。

C. PWM控制分流

PWM控制分流是一种非耗散的分流方法。在这种方法中，电池管理系统(BMS)感知两个相邻电池的电压差，通过在一对MOSFET的栅极上施加PWM方波BMS通过对MOSFET的门控施加PWM方波控制两个相邻电池的电流差。因此，电压较高的单体电池中流过的平均电流将低于正常单体电池。图3为PWM分流电路。

该电路的缺点是需要精确的电压检测，电路相对复杂。对于n个单体电池，需要2个(n-1)开关和n-1个电感。

D. 谐振转换器

谐振转换器是以前的PWM分流法的另一种形式。 谐振电路不使用智能控制来感应和生成PWM门控信号，而是用于传输能量和驱动MOSFET。

图4为谐振式变换器均衡电路。电感L1和电容C1用于传输能量和驱动MOSFET。该电路需要一个启动电路来启动谐振。当L1两端的电压为正时，Q2导通，随着电感电压的下降，Q2截止。随着电压在另一个方向上的增加，Q1导通，L1和C1将与第一个元件谐振。谐振将在L1中产生反向电流，然后关闭Q2并打开Q1，另一个谐振周期开始。如果电池1的电压高于电池2的电压，则流过电感器L2的平均电流将为正，以均衡两个电池。每对相邻单元需要一组谐振电路。电路复杂，并且需要谐振启动电路。

E. Boost升压分流

在升压分流法中，将测量单个电池的电压，主控制器激活电压较高的电池开关。开关由PWM信号控制。图5为升压分流电路。

电路工作时，充当升压转换器。 升压转换器将多余的能量转移到其他单体电池中。等效电路如图6所示。

与其他高级均衡方法相比，该电路相对简单，使用的元件更少。

F. 全分流

在昂贵的不间断电源（UPS）中，为了获得最佳效果，电池系统内部的单体电池需要单独充电。但是，这需要昂贵的并联充电器。全分流方法可以替代这些系统。其电路图如图7所示。

在此电路中，仅需要一个大容量充电器。这个大容量充电器是电流控制的转换器。当一个单体电池达到其最大电压时，单体将被两个开关将电池完全分流。到串中的最后一个单体电池充满电，充电完成。这种方法似乎很简单。但是，当串很长时，可能需要输出电压范围非常宽的级联降压转换器。

III. 穿梭主动均衡方法

穿梭均衡方法利用外部能量存储设备（通常为电容器）在电池之间穿梭能量以均衡电池。 有两种穿梭拓扑：开关电容器拓扑和单开关电容器拓扑。开关电容器需要n-1个电容器来均衡n个电池，而单开关电容器仅需要1个电容器来均衡n个电池。单开关电容是开关电容的衍生品。穿梭均衡方法利用外部能量存储设备（通常是电容器）在相邻电池之间穿梭能量。

A. 开关电容器拓扑

开关电容器[15]-[17]的电路如图8所示。在这种拓扑中，为了均衡n个电池，需要2n个开关和n-1个电容器。控制策略非常简单，因为只有两种状态。例如，在一种状态下，C1将与B1并联，并且C1将被充电或放电以获得与B1相同的电压。然后，在此过程之后，系统将转为另一种状态。在这种状态下，C1将与B2并联。在此状态下将发生与先前状态相同的事情。在此循环过程之后，B1和B2将达到平衡。C2同理，依此类推。因此，整个电池组可以达到平衡。

开关电容器拓扑的优点在于它不需要智能控制，并且可以在充放电操作中工作。这对于电池没有充电结束状态的混合动力汽车非常重要。

B. 单开关电容器拓扑Single Switched Capacitor

单开关电容器[7]，[11]的拓扑结构如图9所示。单开关电容器电路是开关电容器的衍生品。不同之处在于此方法仅使用一个电容器来传递能量。

如果使用简单的控制策略，那就是定期将电容器与每个电池并联。均衡速度仅为常规开关电容器方法的1 / n。（n是单体电池数量）。但是，对于这种拓扑，可以使用更高级的控制策略在电压最高和最低的电池之间切换，这称为“单体到单体”方法。均衡速度也会更高。对于这种拓扑，需要n个开关和一个电容器来均衡n个电池单元。

IV. 能量转换器主动均衡方法ENERGY CONVERTER ACTIVE BALANCING METHODS

此处的能量转换器定义为绝缘转换器。在这种转换器中，转换器的输入和输出侧具有绝缘接地。

A. 升压转换器Step-up Converter

图10为升压转换器均衡[18]，[19]电路。该方法使用隔离式升压转换器来去除单体电池到整个电池组的多余能量。转换器的输入连接到每个要均衡的单元。升压转换器的输出连接在一起，并连接到整个电池组。通过感测电池电压，智能控制器控制转换器运行以均衡电池。

B.多绕组变压器 Multi-winding Transformer

在多绕组变压器拓扑[7]，[20]中，共享变压器具有单个磁芯，每个单元都有二次抽头。来自电池堆的电流被转换到变压器的初级，并在每个次级中感应出电流。电抗最小的次级感应电流最大。

图11为多绕组变压器均衡电路拓扑。该电路的主要部分是多绕组变压器，该变压器必须根据单体电池数进行定制，此特性限制了其模块化。电路复杂，成本高，多绕组变压器也是一个研究领域。

C. 斜坡转换器Ramp Converter

如图12所示，斜坡转换器拓扑[21]，[22]与多绕组变压器原理相同。也是对多绕组变压器均衡电路的改进。使用这种斜坡转换器拓扑，每对单体电池仅需一个次级绕组，而不是每个单体电池都要一个次级绕组。

在工作期间，在一个半周期中，大部分电流用于对奇数号最低电压电池充电，而在另一个半周期中，大部分电流用于通过所谓的斜坡对偶数号最低电压电池充电。

D. 多重变压器Multiple Transformers

图13为多重变压器均衡方法的拓扑。在多变压器拓扑[7]中，几个变压器可以通过耦合主绕组而不是通过单一磁芯耦合来获得相同的结果。与多绕组变压器方案相比，这个方法尽管仍然很昂贵，但它更适合模块化设计。

E. 开关变压器Switched Transformer

开关变压器[7]实际上是一个可选的能量转换器。转换器的输入为整个电池组，而转换器的输出连接到一系列开关，这些开关用于选择输出连接到哪个电池。图14为单个变压器均衡方法。

该拓扑实际上是一个电池组到单体电池的拓扑。控制器检测不平衡（低压）的电池，然后控制开关以将变压器（隔离转换器）连接到该电池。

V. 比较分析

均衡方法的比较表如表一所示。在所有这些方法中，能耗电阻器、升压分流器和开关电容器是针对不同应用的三种较好的方法。连续模式下的能耗电阻器适合低功耗应用，因为电阻器以连续模式运行，因此电阻器可以很小，并且不需要太多的热管理。这种方法的另一个优点是非常便宜。

升压并联对于高功率或低功率应用场景都适用，其相对较低的成本和相对简单的控制使其成为许多应用场景的理想选择。开关电容器非常适合混合动力汽车应用，不仅因为它可以在充电和放电过程中工作，也因为它的控制非常简单。

VI. 结语CONCLUSION

在电池系统应用于车辆推进的诸多问题中，如何均衡电池单元，使得增加电池使用寿命的同时又增加电池系统的安全性是最重要的问题。研究人员和学者已经提出了许多电池均衡方法。但是，很难找到一种适用于所有应用的方法，因为这些方法有的有效性有限，有的昂贵。

本文对均衡技术进行了全面的综述。根据均衡性质，将均衡方法分为三类。解释了每种方法的操作原理。最后，进行了比较分析，找到不同应用场景适用的均衡方法。

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