动力电池组均衡方法研究综述

于轲轲 余潜

中国电子科技集团公司第二十八研究所 江苏 南京 210007

摘要：电动汽车迅猛发展的情势下，对动力电池性能提出了更高要求。电池均衡可以有效减小各电池单体之间的差异性、提高电池组的综合性能以及延长电池组的使用寿命。本文介绍了电池均衡的研究背景及意义，重点对耗散式均衡和非耗散式均衡展开分析，指出当前均衡方法存在的问题，以及新的均衡技术研究的迫切性。

关键词：电动汽车；动力电池；电池均衡

1 研究背景及意义

能源的紧缺和环境的恶化愈演愈烈，危及人类赖以生存的家园，成为亟待解决的全球性问题^[1]。发展新能源是解决问题的重要手段，电动汽车（Electric Vehicles，EVs）使用电池作为动力源，具有节约不可再生能源、对环境友好等特点，已经成为全球各国研究发展的重点^[2]。电动汽车对于电池性能的要求比较高，动力电池单体一般经串并联连接成电池组后，才能满足电动汽车的驱动动力以及续航里程等要求。

动力电池单体制造过程中的微小差异，特别是在工作过程中环境温度、充放电倍率的不同，导致了电池组中电池单体之间不一致性越来越大，极大的降低了整个电池组的可用容量、缩短了电池组的使用寿命^[3]。电池均衡是解决电池不一致性问题，延长电池组使用寿命的重要手段^[4]。

2 均衡方法分析

电池均衡的主要目标是平衡串联电池组内所有电池的能量，保障电池组内电池在工作时电池之间电量的差异能够在安全范围内，是改善串联电池组不一致性，提升电池组可用容量、寿命和安全性的关键手段^[4]。根据能量的流动方式，电池均衡方法又分为两大类：耗散式均衡和非耗散式均衡^[5]。

2.1 能量耗散式

基于电阻的耗散式均衡方法是通过把每个电池并联一个电阻分流，如图1.1所示为四节串联电池耗散式均衡结构图，电池组中能量较高的电池通过电阻释放能量以达到电池组的均衡。国产电池组主要采用该均衡方案，该均衡电路的体积小、控制简单、成本低，但是单体均衡电流一般小于100mA，均衡速度较慢，并且存在能量浪费和热管理等问题，适合小功率场合。

图1.1 耗散式均衡结构图

2.2 非能量耗散式

非耗散式均衡是将能量从高电量的电池单体转移到低电量的电池单体，从而实现电池单体间的平衡，该均衡电路主要采用电容、电感、变压器等作为储能元件^[6]，利用常见的电源变换电路作为拓扑基础实现电池的均衡，它的均衡效率较高、均衡电流较大（可达到2A），适用于快速和大功率均衡场合，是动力电池均衡控制技术发展的方向。下面对几种典型的非能量耗散式均衡方法展开分析。

2.2.1 相邻电池单体对电池单体（Adjacent-Cell-to-Cell）

顾名思义，这种均衡方法使能量在两个相邻的电池之间转移。它有五种方式的均衡拓扑：开关电容器，双层开关电容器，Cûk变流器，PWM变流器，准谐振/谐振转换器和变压器。图1.2显示了一种由Pascual等人^[7]提出的典型Adjacent-Cell-to-Cell均衡拓扑，即开关电容器方法，其中在每两个相邻的电池单体连接一个开关电容器，每个电池单体并联两个同向开关管。均衡时，奇数开关Qi（i=1, 3, 5, 7, ...）和偶数开关Qj（j=2, 4, 6, 8, ...）互补导通关断，例如，当Q1和Q3导通，而Q2和Q4断开时，电容器C1与B1并联；当Q2和Q4导通，而Q1和Q3断开时，电容器C1与B2并联。通过这两个状态的不断切换，可以实现任何两个相邻电池之间通过电容进行能量交换。使用这种均衡方法，能量仅通过每个电池单体连接的电容从一个电池单体转移到相邻的电池单体，将能量从高电量电池转移到低电量电池要花费大量时间，尤其是当它们位于电池组的两端时。另外，能量传递必须穿过所有电池和每个电池相连的电容，这导致较多的能量损失，降低了均衡效率；在均衡末期电池电压差比较小，电容与电池并联时压降也比较小，降低了均衡速度。该均衡拓扑的优点是易于模块化设计，电压应力低并且易于控制。

图1.2 基于开关电容器的Adjacent-Cell-to-Cell均衡拓扑

2.2.2 直接电池单体对电池单体（Direct-Cell-to-Cell）

为了克服相邻电池单体对电池单体均衡方法只能通过相邻电池传递能量的缺点，研究者们设计了直接电池单体对电池单体（Direct-Cell-to-Cell）的均衡拓扑。通过使用诸如电容器之类的通用均衡器，该方法实现了电池组中任意两个电池之间的直接电池间电荷传输。它有三种方式的均衡拓扑：飞渡电容器，电感器和多相交错式变换器。图1.3所示为Lee等人^[8]提出的出了基于LC谐振变换的Direct-Cell-to-Cell均衡拓扑，其中所有电池共用一个LC谐振变换器，开关Q1、Q3和Q2、Q4由一对互补的PWM信号控制，其开关频率等于电感和电容的谐振频率。假设其中B1电压最高，B4电压最低，B1需要放电给B4以达到电池电量的均衡。PWM前半周期，开关S1、S2和Q1、Q3导通，Q1、Q3和L、C组成充电谐振回路，电池B1给电感L和电容C充电；PWM后半周期，开关S1、S2和Q1、Q3关断，S4、S5和Q2、Q4导通，Q2、Q4和L、C组成放电谐振回路给电池B4充电，完成B1放电给B4的整个过程。此方法能够实现电压最高的电池单体对电压最低的电池单体的直接、零电流开关均衡，获得了较高的均衡效率。但该方法同一时刻只能实现两节电池单体间的均衡，不适合电池单体较多的大电池组。

图1.3 基于LC谐振变换的Direct-Cell-to-Cell均衡

2.2.3 电池单体对电池组（Cell-to-Pack）

这种均衡方法是将能量从高电量电池传输到整个串联电池组。它有五种方式的均衡拓扑：并联电感器，升压并联分流器，多重变压器，开关式变压器，多绕组变压器。图1.4所示为基于多绕组变压器的Cell-to-Pack均衡拓扑，当串联电池组中有某一个电池电压高于电压平均值时，在均衡上半周期打开与它相连的开关，此时电池单体放电给多绕组变压器，变压器储能；在均衡下半周期，打开副边开关S，此时变压器中能量释放给整个串联电池组，完成电池单体对电池组的均衡。但是当只有一个电池的电量低于其他电池的电量，而其他电池电量较高时，这是此方法最难处理的情况，需要每一个电量较高的电池依次对电池组释放多余的能量。当使用此方法对目标电池进行均衡时，放电的电池也将同时通过电池组充电。因此，这种方法的均衡时间较长而且能量转换效率低。

图1.4 基于多绕组变压器的Cell-to-Pack均衡

3 结语

传统非耗散均衡虽然克服了耗散均衡的缺点，但是均衡电路往往需要大量的开关器件和储能元件，存在着均衡速度慢、效率低以及可靠低等问题，不能满足电动汽车动力电池高效、快速均衡的需求。因此，亟待研发设计串联电池组高效快速主动均衡系统。

参考文献

1. 李兴虎. 电动汽车概论[M]. 北京理工大学出版社, 2005.

2. 中国汽车技术研究中心. 中国新能源汽车产业发展报告.2014[M]. 2014.

3. 戴海峰, 王楠, 魏学哲, et al. 车用动力锂离子电池单体不一致性问题研究综述[J]. 汽车 工程, 2014(2):181-188.

4. L. Lu, X. Han, J. Li, et al. A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J]. Mar. 2013. vol. 226, no. Mar.15, pp. 272-288.

5. Park H S, Kim C E, Kim C H, et al. A Modularized Charge Equalizer for an HEV Lithium-Ion Battery String[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2009, 56(5):1464-1476.

6. Y. L. Shang, B. Xia, C. H. Zhang, N. X. Cui, J. F. Yang, C. C. Mi. "An automatic equalizer based on forward-flyback converter for series-connected battery strings"[J], IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2016, 99: 1-1.

7. C. Pascual and P. T. Krein, “Switched capacitor system for automatic series battery equalization,” in Proc. IEEE 1997 Applied Power Electronics Conference, 1997, pp. 848-854.

8. K. Lee, Y. Chung, C. Sung, et al. Active cell balancing of Li-Ion batteries using LC series resonant circuit[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, Sep. 2015. vol. 62, no. 9, pp. 5491-5501.