严利民，黄璐益

（ 上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200072 ）

一种并行填谷式锂电池均衡电路

严利民，黄璐益

（ 上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200072 ）

介绍一种并行填谷式锂电池主动均衡电路，该电路能够在电池组中的电芯之间出现差异时进行快速纠正，有效提高电池一致性从而提升电池组的整体充放电容量。经仿真、测试，得到了较好的性能曲线。

电池管理系统；均衡电路；并行填谷

0 引言

与铅酸蓄电池、镍镉蓄电池相比，锂电池的能量密度高，重量轻、平均输出电压高、使用寿命长、没有记忆效应，在充放电循环过程中，电池的容量不会减少、自放电率很低、绿色环保，已成为动力电池领域的主力军。

然而，由于锂电池单体生产过程存在的工艺偏差，以及长期静置或充放电循环次数较多后，电池组内部各节电芯之间电荷量的差距不断增大，从而造成电池组内部电芯的离散性增大，个别电芯的性能衰减加剧，导致整个电池组的失效。因此，锂电池均衡电路通常被用于电池管理系统BMS（Battery Management System）中，BMS包括了电池的充放电管理、温度检测、电压电流检测、单体电池间的均衡、电量估计等各个方面。其中，通过单体电池间的均衡，可减少电池组内各电芯容量的差异，从而提高整个电池组的利用率。本文介绍了一种主动式的并行填谷式锂电池均衡电路，将电量多的电芯电量转移到电量少的电芯上，达到电池组的电量均衡。经仿真测试，该电路可有效提高锂电池的使用性能。

1 电池组均衡原理与方案

1.1锂电池的不一致性

受制造工艺和技术的限制，单体电池在可用容量、内阻和额定电压等方面存在的差异难以避免。尽管在电池组组包前已经过分选，尽量使用电压和内阻接近的电芯成组，但是长期搁置或是多次充放电循环后造成了电芯间的差异，差异不断扩大可导致整个电池组无法满足容量要求而提前报废。另一方面，电池过充致使电池电压迅速上升，电池的析气量增加、温度升高，甚至引起电池爆炸，存在难以预测的安全隐患。这种电池组内各节电芯容量不尽相同称为锂电池的不一致性。

电池组的不一致性将产生以下影响：使得充放电能量的转换效率降低；电池组充放电效率下降；电池组输出功率下降；发生过充、过放等危险，降低电池寿命。因此，电池均衡电路成为保证电池组运行安全及延长使用寿命不可或缺的技术之一。

1.2均衡方法综述

锂电池均衡策略分为被动均衡和主动均衡两种。

被动均衡又称能耗型均衡，通过采用电阻等耗能元件将能量从较多的电池单元上消耗掉，直至所有电池均达到最低能量电池单元的标准，从而实现电池组能量的均衡。

主动均衡又称非能耗型均衡，通过将能量从能量较多的电池单元上转移到能量较低的电池单元上，从而实现电池组能量的均衡。主动均衡包括多种均衡电路拓扑结构，均采用某些能量存储单元完成能量的转移，如使用电容、电感、转换器等。

常见的均衡电路的优缺点见表1。

表1 各种均衡电路结构优缺点

1.3电池管理系统所采用均衡方案

本文基于反激式变换器电路采用并行填谷均衡拓扑结构，该结构能够在电池组充电、放电、静态存储时快速高效地将能量从高电压的电池单元转移到低电压的电池单元上。

图1为并行填谷均衡电路均衡工作过程示意。假设电池组内有6节电池，图中电池的灰色区域面积代表电池的电量大小，灰色面积越大，则该节电池的电量就越高。根据采样所得的电池电量，运用平均值算法，发现B2、B3、B5三节电池电量低于总体的平均电量，如图1(A)。然后，闭合开关K2、K3、K5，输入PWM波，在高电平时，在加粗的黑色回路中有电流流过，电流为I0，将高于平均电量的另几节电池部分电量转移到变压器磁芯中储存起来，B2、B3、B5对应变压器原边电流分别为I2、I3、I5；变压器副边由电容给电池进行均衡充电；在低电平时，如图1(B)，储存在磁芯中的电量将用来给B2、B3、B5均衡充电，同时给电容充电，补偿其在PWM波高电平时损失的能量。

图1 并行填谷均衡过程示意

1.4反激式变换器均衡电路分析

并行填谷均衡电路是基于PWM控制的反激式变换器实现的，能够对能量不足的电池单元进行补充。图2为单节电池的填谷式能量补充电路，V为电池组总电压。

图2 单节电池反激式变换器填谷均衡单元电路

如图2所示，反激式变换器正常工作，PWM波高电平时，斩波管M导通，电流由初级线圈同名端流入，次级线圈感生电压U2为负，副边二极管截止，因此次级线圈无电流，电容C给电池B充电。PWM波低电平时，M断开，初级回路无电流，此时U2为正，副边二极管导通，此时次级线圈有电流，该电流不仅给电池B提供充电电流，而且给电容C充电。

对图2反激式均衡电路进行仿真，图3为反激式变换器均衡单元电路工作波形。

图3 反激式变换器均衡单元电路工作波形

2 仿真

2.1充电均衡

对初始状态不均衡的电池组进行充电均衡，按照恒流快速充电，恒压浮充的方式进行充电实验，恒流充电电流3 A，充电截止电压4．2 V。无充电均衡的电池组电压曲线如图4所示，充电均衡电池组电压曲线如图5所示。由图5可知，电池组从初始状态不均衡状态进入均衡状态仅30 min。均衡电路提升了电池组在整个充电过程中的一致性，且增加了充电的时间，使得电池组充入的能量更多，保证电池在放电时能够释放出更多能量，提升电池的利用率。

图4 无均衡充电电压波形

图5 均衡充电电压波形

2.2放电均衡

对初始状态不均衡的电池组进行放电均衡，充电实验放电电流4 A，放电截止电压2．7 V。无放电均衡的电池组电压曲线如图6所示，放电均衡电池组电压曲线如图7所示。从图7中可以看出，放电均衡电池组每个电池单体的电压一致性得到了较好的改善，且在放电的最后阶段，除电压最高节电池以外，其他电池电压都降至2．4 V以下，电池的能量基本被释放，电池组的利用率有很大提高。整个电池组的放电时间为85 min，相较于无放电均衡的电池组放电时间增长10%。

A Parallel Valley Type Lithium Battery Equalization Circuit

Yan Li-min, Huang Lu-yi
(Microelectronics R&D Center, Shanghai University, Shanghai 200072)

This paper introduces a kind of parallel valley type lithium battery active equalization circuit that can quickly correct the difference between cells, which effectively improves the consistency of the cell, thus the overall charge and discharge capacity of the battery pack have been improved. After the simulation and test, better performance curves can be obtained.

Battery management system; Equalization circuit; Parallel valley

TM910.2

A

1674-2796（2016）06-0001-03

2016-10-03

严利民(1971—)，男，副教授，主要从事集成电路设计及应用、新型显示技术、智能检测和控制方面的研究。

国家自然科学基金（61674100）