《電子技術(shù)應(yīng)用》
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鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)研究
來源：電子技術(shù)應(yīng)用2013年第11期
楊書華，鄒 鵬，石文榮，黃德歡
南昌大學(xué) 納米技術(shù)工程研究中心，江西 南昌330031
摘要： 隨著現(xiàn)代電動汽車產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，對電動汽車的電池能源要求越來越高。電動汽車最需要解決的技術(shù)瓶頸之一是電池能量的均衡問題，這是因為串聯(lián)電池組在充放電的過程中，電池內(nèi)阻等技術(shù)參數(shù)的微小差異導(dǎo)致電池的電壓出現(xiàn)不一致現(xiàn)象。深入研究了適用于電動汽車的鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，提出了合理的系統(tǒng)設(shè)計方案與實現(xiàn)方法，由此可消除串聯(lián)電池組在充放電過程中出現(xiàn)的單體電池電壓不均衡的現(xiàn)象，節(jié)省了電池電能，大幅度提高了電池組的性能，對發(fā)展純電動汽車具有很重要的意義。
中圖分類號： TM912
文獻標識碼： A
文章編號： 0258-7998(2013)11-0060-03
Study on lithium-ion battery energy balance system
Yang Shuhua，Zou Peng，Shi Wenrong，Huang Dehuan
Engineering Research Center for Nanotechnology, Nanchang University, Nanchang 330031，China
Abstract： With the rapid development of the modern electric vehicle industry, the requirement to the battery technology becomes more and more important. One of the technical bottlenecks to be solved for the electric vehicles is a problem of the battery energy balance, because the battery charging and discharging would cause a phenomenon, such as the unbalanced voltage. A lithium-ion battery energy balance system has been developed and realized in this paper, this system can not only save the battery’s energy, but also improve the battery performances. This study has an important significance to the development of the battery electric vehicles, in the future.
Key words : lithium-ion battery；battery energy balance system；battery management

    傳統(tǒng)汽車在全球保有量的不斷增加，造成了能源短缺、氣候變暖、空氣和水質(zhì)量下降等問題。從20世紀末發(fā)展起來的現(xiàn)代電動汽車具有低排放、甚至零排放、熱輻射低、噪音低和環(huán)境友好等特點，是節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具，具有廣闊的發(fā)展前景。先進的電動汽車包括純電動(BEV)、混合動力(HEV)與燃料電池汽車(FCEV)三類[1]，其中具有更高效率、無污染、不依賴汽油的純電動汽車又是其中的佼佼者。目前，市場上銷售的純電動汽車以小型車為主，這既與電池的能量密度相關(guān)，也與當(dāng)前消費需求有關(guān)。隨著近年來動力電池技術(shù)的巨大發(fā)展，純電動汽車已進入了快速發(fā)展期。

    為電動汽車提供動力能源的大容量蓄電池常稱作動力電池。車用動力電池一般由多個單體電池串聯(lián)組成一個模塊，又稱電池包。由于單體電池制造過程中性能的不一致性和使用過程中電池包內(nèi)部環(huán)境的非均勻性等原因，隨著使用時間的增加，單體電池之間的性能差異將逐漸拉大[2]，若不采取措施將造成某些單體電池過充電而某些單體電池過放電，過充和過放不僅影響電池壽命，損壞電池，而且還可能產(chǎn)生大量的熱量造成電池性能急劇下降，因此采取電池能量均衡技術(shù)來補償電池性能的差異是非常必要的[3]。
1 電池均衡方法
1.1 現(xiàn)有的電池均衡方法
1.1.1 分流均衡法
    鋰離子電池分流均衡法是在單體鋰離子電池上附加一個均衡電路，該電路起到分流作用，如圖1所示。在這種模式下，當(dāng)某個電池首先滿充時，其均衡裝置能阻止其過充并將多余的能量通過分流電阻R1，R2，…，Rn轉(zhuǎn)化成熱能，同時又能對未完成充電的電池繼續(xù)充電。

    為了避免由于R1，R2，…，Rn造成的大功率損耗，這種方法最好與帶有滿充小電流的開關(guān)充電器一起使用。
    分流充電方法的缺點：需要設(shè)置分流電阻R1，R2，…，Rn，造成大功率損耗，這種方法僅適用于小電流充電的系統(tǒng)。
1.1.2 有源單元平衡法
    有源單元平衡法是通過有源電荷開關(guān)或者電壓或電流轉(zhuǎn)換器把能量從一個單元傳遞到另一個單元。有源單元平衡法可以分為電荷開關(guān)和能量轉(zhuǎn)換兩個主要控制過程[4]。圖2所示是飛速電容均衡充電方法[5]。

    控制系統(tǒng)通過導(dǎo)通或切斷電子線路中的開關(guān)，就可以控制電池B1，B2，…，Bn與電容C之間的導(dǎo)通或切斷關(guān)系，由此控制電池B1，B2，…，Bn向電容C充電或放電。例如，當(dāng)開關(guān)S1關(guān)閉時，可使電容C連接到B1單元；一旦電容C充滿，開關(guān)S1打開，開關(guān)S2隨關(guān)閉，使電容C連接到B2單元；這時，如果B2的電壓小于B1的電壓時，電容C會將電荷傳遞到B2，縮小B1和B2之間的電壓差；如果B2的電壓大于B1的電壓時，B2繼續(xù)向電容C充電。電容C可以以同樣的方式連接到B3，B4，…，Bn，以此類推，可將充電電壓最高單元的電荷傳遞到充電電壓最低的單元，達到各單體鋰離子電池的均衡。
    這種方法的缺點是，系統(tǒng)不能精確判斷線路中每片電池的電壓值，要花費大量的時間，才能將電荷從高電壓單元傳遞到低電壓單元。
1.2 本設(shè)計的鋰離子電池能量均衡方法
    本文設(shè)計了一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，通過比較每兩片單體鋰離子電池之間電壓差值，對所比較的兩片單體鋰離子電池的電量進行均衡，使鋰離子電池組中每片單體鋰離子電池的電量達到平衡狀態(tài)，避免每片單體鋰離子電池出現(xiàn)過充電、過放電狀態(tài)，延長單體鋰離子電池的使用壽命，充分發(fā)揮單體鋰離子電池的性能，由此提高鋰離子電池組的整體性能。
    圖3是鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中包括信號驅(qū)動單元、電壓比較單元、控制單元和均衡單元。各部分連接關(guān)系如圖3所示。

    在電路接通時，由于電容C1還未充電，經(jīng)過定時器A內(nèi)部電路，輸出端(3端口)輸出高電平，VCC通過電阻R1和電阻R2對電容C1充電，電路進入暫穩(wěn)態(tài)(高電平態(tài))。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C1的充電，經(jīng)過定時器A內(nèi)部電路，使得輸出端翻轉(zhuǎn)為低電平，電路發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，電路進入另一暫穩(wěn)態(tài)（低電平態(tài)）。在此期間，隨著電容的放電，電路又一次自動發(fā)生翻轉(zhuǎn)。如此循環(huán)，得到矩形脈沖信號a，此信號a直接進入控制單元，調(diào)整電阻R1、電阻R2和電容C1就可以調(diào)整矩形脈沖的時間常數(shù)?子，?子=0.7(R1+2R2)C1，由此調(diào)整矩形脈沖的寬度。
    圖5是電壓比較單元的電路，主要包括運算放大器B。運算放大器B的2個輸入端分別連接兩片單體鋰離子電池BT1 、BT2的輸出電壓，其中一個輸入端經(jīng)電容C3和電阻R5的并聯(lián)電路與運算放大器B的輸出端相連。本實驗采用的運算放大器為LM358PW[8]。

 

 

    當(dāng)單體鋰離子電池BT1的電壓比單體鋰離子電池BT2的電壓高時，在運算放大器B的輸出端b輸出高電平；當(dāng)BT1的電壓比BT2的電壓低時，在運算放大器B的輸出端b輸出低電平。此輸出端b輸出的電平與矩形脈沖信號a一起進入控制單元。

    在實驗中，場效應(yīng)管Q1和Q3受同或邏輯門P1輸出端c輸出的電平來控制通斷。當(dāng)輸出端c輸出為高電平時，Q1和Q3所在線路導(dǎo)通；當(dāng)輸出端c輸出為低電平時，Q1和Q3所在線路斷開，場效應(yīng)管Q2和Q4由同或邏輯門P2輸出端d輸出的電平來控制通斷。當(dāng)輸出端d輸出為高電平時，Q2和Q4所在線路導(dǎo)通；當(dāng)輸出端d輸出為低電平時，Q2和Q4所在線路斷開。
    開始時，電池BT1電壓輸入電壓比較單元中運算放大器B的同相輸入端，電池BT2電壓輸入電壓比較單元中運算放大器B的反相輸入端，當(dāng)電池BT1電壓比電池BT2電壓高時，在運算放大器B的輸出端b輸出高電平。在電路接通開始時刻，電容C1還未充電，經(jīng)過定時器A內(nèi)部電路，輸出端a端輸出高電平，此時定時器A的輸出端a和運算放大器B的輸出端b都輸出高電平，所以同或邏輯門P1輸出高電平c，非邏輯門P2輸出低電平d，場效應(yīng)管Q1和Q3所在線路導(dǎo)通，場效應(yīng)管Q2和Q4所在線路斷開，電池BT1與過渡電容C4構(gòu)成回路，電池BT1給過渡電容C4充電。
    到矩形脈沖的下半個周期時，定時器A的輸出端自動翻轉(zhuǎn)，輸出低電平a，運算放大器B的輸出仍然為高電平b，所以同或邏輯門P1輸出低電平c，非邏輯門P2輸出高電平d，場效應(yīng)管Q1和Q3所在線路斷開，場效應(yīng)管Q2和Q4所在線路導(dǎo)通，過渡電容C4與電池BT2構(gòu)成回路，過渡電容C4給電池BT2充電。這樣就使電池BT1中的能量轉(zhuǎn)移到電池BT2中，從而使電池BT1電壓降低，電池BT2電壓升高。依此循環(huán)，直到電池BT1電壓與電池BT2電壓的差值小于一個預(yù)先設(shè)定的微小電壓值時（本實驗預(yù)先設(shè)定為1.0 mV），鋰離子電池均衡系統(tǒng)結(jié)束工作，電池BT1與電池BT2之間的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束，由此完成了這兩個電池能量的均衡過程。
    同理，當(dāng)電池BT2電壓比電池BT1電壓高時，經(jīng)過上述均衡電路可實現(xiàn)電池BT2與電池BT1的能量均衡。
2 均衡實測結(jié)果
    電池能量均衡實測數(shù)據(jù)如表1所示，開始時電池BT1電壓為3.985 V，電池BT2電壓為3.703 V，經(jīng)過90 min的電路均衡后，電池BT1電壓為3.833 V，電池BT2電壓為3.832 V，實現(xiàn)了兩片鋰離子電池的電壓均衡，兩片電池能量均衡后的電壓誤差可通過預(yù)先設(shè)置的誤差值來設(shè)定，本實驗設(shè)定的誤差值為1.0 mV。圖8是電池能量均衡實測曲線。通過實測曲線可得經(jīng)過一段時間后，BT1與BT2達到能量均衡。

    本文設(shè)計的動力鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)能夠快速、精確地實現(xiàn)兩片有差異的單體鋰離子電池之間的能量均衡，將高電壓電池能量無損耗地轉(zhuǎn)移到低電壓電池中。電池組均衡的需求源于單體電池性能的不一致性，隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展浪潮，均衡控制技術(shù)將會得到快速發(fā)展，這將推動動力電池和電動汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進程，產(chǎn)生巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。
參考文獻
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