刘红锐 张昭怀

锂离子电池组充放电均衡器及均衡策略

刘红锐1张昭怀2

（1. 昆明理工大学电力工程学院 昆明 650000 2. 昆明理工大学城市学院 昆明 650051）

提出了一种基于Buck斩波电路和Boost-Buck斩波电路的锂离子电池组充放电均衡器。根据电池组的两种工作状态，采取两种不同的均衡策略：电池组处于充电状态时，电池组中荷电状态最高的强单体电池被均衡放电，强单体电池的充电电流减小，而同组中的其他单体电池不受影响；电池组处于放电或静置状态时，电池组中最弱的单体电池被均衡充电，而同组中的其他单体电池不受影响。均衡器具有均衡电路控制简单、易实现，被均衡的单体电池任意可选、均衡能量可双向传输、均衡电流易控等优点。详细阐述了两种均衡控制策略的工作原理，并采用此均衡器对串联的四个磷酸铁锂电池进行了充放电均衡实验，实验结果证明了此均衡器不仅改善了单体电池间不均衡程度，同时提高了电池组的充电容量和放电容量。

Buck斩波电路 Boost-Buck斩波电路 均衡器 均衡策略 荷电状态 磷酸铁锂电池 充电容量 放电容量

1 引言

由于锂离子单体电池的标称电压比较低，在3.6V左右，因此需将多个这样的单体电池串联使用来满足不同的电压需求[1-4]。对单体锂离子来电说，过充电或过放电会导致容量降低，影响其使用寿命，甚至直接使电池损坏或引发爆炸等[5-7]。在使用过程中串联的各单体电池之间荷电状态或端电压不一致的情况普遍存在，如图1所示串联的四个单体电池，充电过程中只要有一个单体电池被充满或达到充电截止电压时则充电必须停止；而在放电过程中只要有一个电池被放空或达到放电截止电压时则必须停止放电。如果不采取均衡措施，串联单体电池间的不均衡程度会随着充放电循环次数的增加而加剧，电池组的充放电容量也会逐渐降低，最终使电池组提前报废，因此需采取有效的均衡措施延长电池组的使用寿命，提高电池组的充放电容量。

图1 串联电池充放电示意图Fig.1 Charging and discharging diagram of the serially connected battery cells

2 均衡策略

根据均衡电路所选用的储能或耗能元件的不同，串联蓄电池均衡器主要分为开关电阻分流均衡器、电容均衡器、电感均衡器、LC振荡电路均衡器和反激式变压器均衡器。电阻均衡器[8]利用电阻耗能发热均衡，均衡电流很小，最大为几百毫安，而且需要为电阻提供专门的散热装置。电容均衡器[9,10]是通过单体电池的电压差进行均衡，由于单体电池间的电压差很小，串联锂离子单体电池间的电压差最大为几百毫伏，再加上开关器件的导通压降，因此均衡能量很难转移，甚至无法转移。电感均衡器[11-12]是以电感中电流的变化进行能量均衡的，均衡电流的可控性强。LC振荡电路均衡器[13]，通过LC振荡电路提高了电容电压，从而弥补了单独以电容为储能元件的均衡方案能量转移困难的缺陷。反激式变压器均衡[5-6,14]的缺点是变压器体积大、重量重，除了开关损耗，还要考虑变压器损耗，同时反激均衡电流的可控性差。

根据被均衡的单体电池和均衡能量流向的不同，均衡策略可分为以下几种：

（1）对电池组中端电压或荷电状态最高的单体电池均衡放电，能量被电阻消耗掉[8]或者返回电池组[14]。这种均衡策略只能用在电池充电过程中，且均衡能量是单向的，即只能由被均衡的单体电池放出。

（2）在电池充放电过程中，均衡能量只能在相邻单体电池间转移的均衡策略[9,11,15]。这种能量迂回的均衡策略对不需要均衡的单体电池也进行多次充放电，一方面影响电池的使用寿命，另一方面均衡速度低，开关损耗大。

（3）在电池充放电过程中，能量由电池组中端电压或荷电状态最高的单体电池向最低的单体电池转移的均衡策略[13]。在均衡时，强电池的放电开关和弱电池的充电开关要不断切换，均衡损耗较大，开关控制较复杂，不易实现。

（4）在电池放电过程中，对电池组中端电压或荷电状态最低的单体电池均衡充电的均衡策略[12]，这种均衡策略的均衡能量是单向的。

（5）文献[5]采用的均衡策略为：电池放电时，均衡能量通过变压器由电池组向组内端电压最低的单体电池转移；电池充电时，均衡能量由电池组中端电压最高的单体电池通过变压器向电池组转移。此均衡策略的被均衡的单体电池可选、均衡能量是双向的。

综上所述，从均衡电流的可控性分析，采用电感作为储能元件的均衡方案，其均衡电流的可控性强；从均衡策略来看，比较理想的均衡策略是第 5种，其被均衡的单体电池灵活可选、且均衡能量双向。但第5种均衡策略，均衡时除了被均衡的单体电池，同组中的其他电池均受影响，且完成一次能量转换时，被均衡的单体电池的电流前后变化比较大，影响电池的使用寿命。

本文提出的均衡器是以电感为储能元件，均衡策略如图2所示，它不同于上述第5种均衡策略。在电池充电时，对电池组中端电压或荷电状态最高的强单体电池均衡放电，均衡能量由此强单体电池向均衡器转移，均衡过程中此强单体电池的充电电流减小，而同组中的其他所有单体电池不受影响，即其充电电流不变；在电池放电时，对电池组中最弱的单体电池均衡充电，均衡能量由均衡器向此弱单体电池转移，均衡过程中此弱单体电池的放电电流减小，而同组中的其他所有单体电池不受影响；在电池静置时，可以采用上述两种均衡策略，但为了增加电池组的储能，可以选用电池放电时采用的均衡策略，因此只有电池组中最弱的单体电池被均衡充电，而同组中其他电池的电流均为零。本文提出的均衡器具有以下优点：①省去了变压器，但同时具有被均衡单体电池的可选性和均衡能量的双向性；②均衡电流可控，且易控，即只需调节开关 PWM的占空比，就可控制均衡电流的大小；③均衡时只需对一个开关进行PWM控制，其他相关开关只需导通即可，因此开关损耗低，均衡器控制简单，易实现。

图2 均衡策略Fig.2 Balancing strategies

3 均衡器结构和工作原理

3.1 均衡电路拓扑结构

图3为一个包含n个串联单体电池的电池组均衡模块，应用时可根据实际情况选择单体电池的数目。均衡电路的拓扑结构如图中虚线框所示，它由一个桥式开关矩阵（A组和B组）、电感L、两个续流二极管 VD1和 VD2、电压源 E以及控制电源 E通断的电源开关M组成。由于电池采用分组均衡，因此可以选用小功率的开关器件，而小功率的电力场效应晶体管 MOSFET饱和导通电阻一般在 mΩ级，且驱动功率小，因此选用小功率的 MOS管作为电源开关M及A、B两组开关器件。由于 MOS管寄生二极管的存在，为了防止电池短路，需串联二极管使用。根据实际情况选择合适容量和电压的同类型电池的串联作为电压源E。

图3 均衡电路拓扑Fig.3 Balancing circuit topology

3.2 均衡放电控制策略及工作原理

在电池组充电过程中，对组内的SOC值最高的单体电池均衡放电，其均衡能量向均衡器转移，换句话说，在电池充电过程中通过减小高能量单体电池的充电电流的方法来提高整个电池组的充电容量。具体的控制过程和工作原理为：

假设图4中电池Cell1的SOC值最大，当电池Cell1的放电开关B1和A2导通时，Cell1通过回路①向电感 L贮能；当 Cell1的放电开关断开后，均衡器通过回路②将电感中的能量存储起来。为了降低开关损耗和简化开关控制，均衡时对处于下桥臂的开关B1进行PWM控制，而使上桥臂开关A2一直处于导通状态。均衡电路为典型的Boost-Buck斩波电路[16]，如图 4b所示，其中 U为单体电池电压，均衡电路有两种工作模式：电流连续模式和电流断续模式；开关的驱动信号和均衡电流波形如图 4c所示，通过调节占空比就可调节均衡电流的大小，即一个周期中转移的均衡能量的大小。

图4 均衡放电工作和控制原理Fig.4 Balancing working principle

3.3 均衡充电控制策略及工作原理

在电池组放电或静置过程中，对组内SOC值最低的单体电池均衡充电，其均衡能量来自均衡器。即在电池放电过程中通过减小低能量单体电池的放电电流来提高整个电池组的放电容量；而静置时对弱电池单独进行能量补充，提高整个电池组的储能。均衡电路为典型的 Buck斩波电路[16]，具体的控制过程和工作原理为：

假设图5中电池Cell2的SOC值最小，均衡时需要使Cell2的充电开关A2和B3一直处于导通状态，而对电源开关M进行PWM控制，当M导通时均衡器通过回路①向电感和电池Cell2释放能量，当M断开后电感中的能量经回路②向Cell2转移。如图5b所示，均衡电路为典型的Buck斩波电路。如图5c所示，均衡过程中Cell2的充电开关A2和B3一直处于导通状态，只需对开关M进行PWM控制，其均衡电流如图中所示，通过调节占空比即可实现均衡电流可控可调。

图5 均衡充电工作和控制原理Fig.5 Balancing working principle

3.4 均衡器及均衡策略的特点

一个包含n个单体电池的均衡模块，其单体电池分别为 Cell1、Cell2、Cell3，…Cellx，…Celln，其均衡模块有以下特点：

（1）桥矩阵电路包含的开关数目为2(n+1)。

（2）电池充电时，电池组中最强的的强单体电池向均衡器放电，假设电池 Cellx是最强的单体电池，此时只需对 Cellx的两放电开关 Bx和 A(x+1)进行控制，使其上桥臂开关A(x+1)一直导通，而对下桥臂开关Bx进行PWM控制就可实现能量由强电池Cellx向均衡器转移。

（3）电池放电或静置时，均衡器对电池组中的弱单体电池充电，假设电池 Cellx是最弱的单体电池，只需控制 Cellx的两充电开关 Ax和 B(x+1)一直导通，而对电源开关M进行PWM控制就可实现能量由均衡器向弱电池电 Cellx转移。

4 均衡实验

4.1 电池管理系统简述

电池管理系统包括单体电池参数检测、均衡管理、热管理、数据处理及通信等功能。均衡系统是一个完整的电池管理系统不可或缺的重要部分，如图6所示的电池管理系统，将电池进行分组管理和均衡。每组都包含一个主控器实现参数检测和处理，然后根据各单体电池的 SOC值驱动均衡模块中相应的开关动作。因此准确的估算SOC是确保均衡实验顺利进行的前提条件。

图6 电池管理系统Fig.6 Battery management system

4.2 磷酸铁锂单体电池E-SOC曲线提取

本文采用电动势法和安时法相结合的方法估算SOC值，而电动势法需要提取单体电池的 E-SOC曲线。采用μc-KGCFS微电脑电池化成充放电电源对额定容量为60A·h、额定电压为3.2V的磷酸铁锂电池进行E-SOC曲线提取实验。如图7所示，首先提取磷酸铁锂电池的充电SOC曲线和放电SOC曲线，然后取两者的平均值即为 E-SOC曲线。将测得的E-SOC曲线存储在EEPROM中，供控制器随时读取，以修正SOC的初始值。

图7 磷酸铁锂单体电池E-SOC曲线Fig.7 E-SOC curve of LiFepo4 battery cell

4.3 均衡实验

4.3.1 实验设备及均衡器电路器件说明

实验设备如图8所示，位于图片下半部的为锂离子电池柜，里面包含一百个串联的磷酸铁锂单体电池和电池管理系统，单体电池的额定容量为60A·h、额定电压为3.2V。选择其中的四个单体电池完成均衡实验，其初始SOC值分别为39.5%、30%、30%和 20%。位于图片右上方的柜子为 μc-KGCFS微电脑电池化成充放电电源，其直流输出电压 0～350V连续可调，直流输出电流0～500A连续可调，可实现对蓄电池的恒流充电、恒压限流充电、恒流限压放电、静置等。用 3个额定容量为 20A·h、额定电压为 3.2V的磷酸铁锂电池的串联作为均衡器中的电源 E，其每个单体电池的初始 SOC值均为60%。

实验中所用的均衡器是根据6个锂离子单体电池设计的，为了降低均衡电路的损耗而选用小功率的开关器件，其具体选型为：A组开关选用P沟道MOS管SPD50P03L，其额定电压和电流分别为30V和50A，最大漏源电阻值为12.5mΩ；B组开关和M选用N沟道MOS管IPD135N03L，其额定电压和电流分别为30V和30A，最大漏源电阻值为13.5mΩ；均衡模块中的串联二极管和两个续流二极管选用肖特基二极管42CTQ030，其额定电压和电流分别为30V和40A，导通压降的最大值为0.38V。

图8 系统实物照片Fig.8 System photo

4.3.2 充电均衡实验

由μc-KGCFS电源提供10A的电流对四个串联电池进行充电，当电池组的 SOC升到 80%时停止充电。均衡过程中各单体电池的SOC曲线如图9所示，充电时间为 181min，充电结束后各单体电池的 SOC值分别为80%、79%、79%和69.5%。电源E的SOC曲线如图 10所示，实验结束时其每个单体电池的SOC值为64.5%。

图9 电池充电过程中的SOC曲线Fig.9 SOC curves in battery charging

图10 电源E的SOC曲线Fig.10 SOC curve of the power E

4.3.3 放电实验

由 μc-KGCFS电源提供 10A的电流对四个串联电池进行放电，当电池组的 SOC值降到 20%时停止放电实验。均衡过程中各单体电池的SOC曲线如图11所示，放电时间为 210min，放电结束后各单体电池的 SOC值分别为 21%、20.5%、20.5%和20%。电源E的SOC曲线如图12所示，实验前的SOC值为64.5，实验结束时每个单体电池的SOC值为52%。

图11 电池放电过程中SOC曲线Fig.11 SOC curves in battery discharging

图12 电源E的SOC曲线Fig.12 SOC curve of the power E

4.4 实验结果分析

四个单体电池的初始 SOC值分别为 39.5%、30%、30%和 20%，如果在充电过程中不采取均衡措施，那么当电池组的SOC值上升到80%时各单体电池的 SOC值将分别为 80%、70.5%、70.5%和60.5%，但如图 9所示，由于在充电过程中对 1号电池采取均衡放电，因此它的SOC曲线的上升速度下降，因此充电截止时间后延，充电结束时各单体电池的SOC值分别为80%、79.5%、79.5%和69.5%，显然采取均衡后整个电池组的充电容量显著提高。同样的道理，通过图11的放电SOC曲线，可得出由于放电过程中采取对电池组中的4号弱电池进行充电的均衡策略使整个电池组的放电容量显著提高。四个串联磷酸铁锂电池经过一个充放电循环均衡实验后各单体电池的SOC值分别为21%、20.5%、20.5%和20%，因此各SOC值已基本一致。

在充电实验中，均衡能量由 1号电池向电源E转移，利用1号电池和2号电池在充电实验前后的SOC差值的变化可计算出1号电池放出的安时容量为5.1A·h，而通过图10的SOC曲线可算出电源E吸收的安时容量为2.7A·h，从而可计算电池充电过程中均衡能量转移效率为53%。而在放电实验中，均衡能量由电源E向4号电池转移，因此根据实验结果可计算出电池放电过程中均衡能量转移效率为68%。通过计算可知均衡能量转移效率比较高，均衡器的损耗主要是 MOS管和二极管的损耗，可以采用软开关技术使均衡能量转移效率进一步提高。

5 结论

均衡器以电感为储能元件，电池充电时采取对电池组中的强单体电池放电的均衡策略，而电池放电和静置时采取对电池组中弱单体电池充电的均衡策略。均衡电流可控、均衡能量转移效率高，且均衡电路控制简单、易实现。通过对四个串联的磷酸铁锂电池的充放电均衡实验，证明了此均衡器提高了整个电池组的充电容量和放电容量。在实际使用中，为了降低开关损耗而选择额定电压和额定电流比较低的开关器件，因此电池组中串联的单体电池不能太多。由于每个均衡器中的电源E是由额外的单体蓄电池串联组成，需要为这些单体电池提供管理，在实际使用中可根据实际系统中均衡器的数目，将所有均衡器中的蓄电池进行分组管理。本均衡器可以用于电动汽车锂离子电池的均衡管理和风光蓄电池储能系统等的均衡管理中。

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The Equalizer of Charging and Discharging and the Balancing Strategies for Lithium-Ion Battery Pack

Liu Hongrui Zhang Zhaohuai

（Kunming University of Science and Technology Kunming 650000 China）

The charging and discharging equalizer based on the buck and boost-buck chopper circuits for lithium-ion battery pack is suggested in this paper. Two different balancing strategies are used respectively according to the different battery states. The strongest battery cell with the highest state of charge(SOC) is discharged by the equalizer in the battery charging state, its charging current is lower and the rest cells of the same pack are not affected. The weakest battery cell is charged by the equalizer in the battery discharging or static state, and the rest cells are n ot affected. The advantages of the equalizer are as follows: 1. it is simple to control the balancing circuit and easy to be realized; 2. the balanced battery cell is selectable and the balancing energy is bidirectional; 3. the balancing current is controllable. The working principle of the two balancing strategies has been described in this paper. The balancing experiment has been completed to four serially connected LiFePO4 battery cells, and the experimental results confirm that the unbalanced degree of the four battery cells has been improved, moreover the charging and discharging capacity of the battery pack have been increased.

Buck chopper circuit, boost-buck chopper circuit, equalizer, balancing strategy, SOC, LiFePO4, charging capacity, discharging capacity

TM911

刘红锐 女，1982年生，博士研究生，研究方向电力电子与电力传动，蓄电池管理系统。

云南省基金（KKSY201404106）资助项目。

2013-10-30 改稿日期 2014-01-16

张昭怀 男，1982年生，硕士研究生，研究方向电力电子与电力传动。