动力电池组均衡电路比较

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【摘要】受当前电池工艺的限制，电池的一致性成为多节电池串联系统的一个问题。 未解决这个问题， 各种均衡电路层出不穷。本文比较当前主流的均衡电路， 然后提出自己设计的几种均衡电路。

【关键词】动力电池;均衡;变压器

纯动力汽车或混合动力汽车功率大，需要串联较多的电芯，以形成较高的电压。一般的锂离子单个电芯电压只有3.6V.对电动轿车而言，一般需要串联至少50个电芯。

电池由于自身生产的工艺问题，不可能做到每只电池的在容量和内阻上做到完全一致。因此，每个电池的容量，充放电曲线也是不完全一样的。这使得，在串联充电的过程中， 虽然电流相同，但转化为每只电池的化学能是不一样的，每只电池的电压变化也不是完全一致的。在长期的充放电循环中，电芯的电压差就会变大，从而影响整个电池系统的容量。

因此，在锂电池系统中，必须使用均衡电路来减小各电芯间的电压差，从而使得电池系统的电压能够最大化。

本文主要讨论当前主要的均衡电路，并给出自己的变压器均衡。

一、均衡电路的分类

均衡电路的结构多种多样，其分类标准也不一相同。

1.按照能量转移的对象

对于电压较高的电池，需要泄放电池能量来减小电压。泄放能量可以通过并联一个电阻对电池放电，从而减少电池电压（如图1所示）。这种方式叫被动均衡也可以通过额外的电路把电压较高电池的能量转移到电压较低的电池中去，从而使后者的电压升高。这种方式叫主动均衡。

图1 电阻均衡

2.按照电路的隔离方式

由于在串联的电池共模电压是不一样的。

均衡时通过电容或变压器等元器件对放电电池和充电电池进行隔离的叫做隔离均衡。反之称为非隔离均衡。

二、当前均衡电路

1.电阻均衡（见图1）

电阻均衡属于被动非隔离式均衡均衡。这种均衡给每一个电池并联一个电阻，当电池电压较高时，通过开关经电阻给电池放电。

图2 电容均衡

这个电路优点就是结构简单，在电路上易于实现，而且工作可靠。缺点也很明显，第一，因为是电阻产生热量来降低电池电压，对电能浪费严重，没有把能量转移到电压低的电池中去。第二，电阻放电会产生的热量会使整个结构内局部温度升高，个别电池环境温度升高，破坏的电池同一的环境。第三，由于电阻均衡会产生热量，这使得均衡（下转第85页）（上接第81页）电流收到限制。当电池系统充电电流比较大，各电池一致性不好时，就需要更大的均衡电流。 电阻均衡一般只能做到100mA均衡电流以下。

图3 电感均衡

2.电容均衡（见图2）

电容均衡属于主动隔离式均衡。

该均衡是在每一个电池系统里放置一个电容，当有一电池电压比较高时，电池先放电给这个电容，然后再通过开关切换，把电容里的电充到电压较低的电池里。

相对于电阻均衡，电容均衡效率要高的多，能量浪费少，均衡速度会比较快，均衡电流也容易做大。但缺点也很明显。开关切换控制比较复杂，而且开关闭合时由于电池的内阻非常小，容易产生很高浪涌电流，这个浪涌电流超过电池的额定电流，影响电池的寿命。

3.电感均衡（见图3）

这个电路实际上是Buck电路。当某一电池电压达到均衡值时（以第一节，N1，和第二节，N2，电池为例），当N1电压最高时，K1闭合时，L1储能。K1断开时，L1对N2充电，通过D1，电流回到L1中。这个电路的缺点就是能量要依次的转移，当N1的能量要转到N4时，必须先转给N2，N2转给N3，N3再转给N4。总的效率比较低。

三、本文提出的均衡（变压器均衡）

以上均衡的电池之间是没有隔离的，当开关元器件失效时，电池会出现短路，有很大的安全隐患。变压器均衡由于隔离了充电电池和放电电池，可以较好的解决这个问题。通过对绕组的不同安排， 变压器又可以分为以下几种均衡。

1.一对一均衡（见图4）

一对一均衡就是最高电压的电池电量能够直接转移到最低电压电池中去，均衡速度比较快。当某一电芯电压比较高时，就会通过开关闭合储能，然后通过次级开关的选择，把能量传递给电压低的电池。均衡电流也可以做到几个安培。但变压器比较复杂， 在一个磁芯上绕制8个绕组，会带来较大的漏感损耗，电磁兼容的效果也不好。而且初级绕组输入电压比较低，还需要额外的隔离驱动。

2.一对一均衡（见图5）

该方案副边绕组只有一个，通过次级开关来选择接受能量的电池，使用双刀多掷的开关可以实现。但是每次只能给一个电池补充电量。当有两个或两个以上的电池电压较低时，该均衡 的速度就会比较慢。虽然减少了次级绕组，但对次级的开关可靠性有更高的要求。而且此电路还是有初级线圈的输入电压只有3-4V，开关管驱动电压变压器隔离驱动，整体电路结构还是比较复杂。

3.一对多均衡（见图6）

该均衡电路给电压最高电芯的放电，同时----给其它三个较低的充电。均衡效率高。相对于前面的变压器均衡，该电路简化了次级电路结构，缺点是只能降低最高的电池电压。当出现3个电池电压较高，一个电池电压较低时，该均衡的速度就会比较慢。

4.多对一均衡（见图7）

相对以上几种变压器均衡， 这种均衡硬件相对简单。初级驱动之需要一个绕组。不但减低的变压器工艺的复杂性，而且因为采用四节电池串联输入，输入电压比较高，从而也解决了初级驱动的问题。初级绕组会从每个电池中收集能量，然后通过控制开关2，3，4，5，来把能量传递给电压较低的电芯。该电路初级结果简单，次级每个电池对应一个绕组，开关的损坏，不会使电池短路，整体安全可靠。兼顾了均衡效率高，电路结构简单，和安全性高的要求。

参考文献

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[2]陈守平.动力电池组特性分析与均衡管理[J].电池工业，2003.

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