文/马齐林

电池组的一致性是电池串联成组最为关注的问题之一。无论哪种电池类型，其单体电池的电压和容量都无法满足电动汽车的需求，为了达到一定的电压、功率和能量等级，必须通过串并联的方式组成电池组为电动汽车提供能量。然而实践发现，即使电池成组经过了严格的筛选，在实际使用时，电池组在容量利用、安全性以及寿命等方面的性能依然远不及单只电池，其核心问题在于电池组的不一致性。由于不一致性的存在，电池成组应用存在类似于木桶短板效应的问题；同时不一致性对电池组的寿命和可靠度具有重要影响，电池在线均衡问题亟待解决。

1 均衡系统总体设计

均衡系统采用模块化的设计思路，如图所示。主控模块为电池管理主控制器，主要功能是收集各个从控模块采集的数据，电池剩余容量（SOC）的计算，系统电压、电流的采集，系统逻辑控制及完成与车辆上其他设备之间的通信。从控模块，主要完成电池箱内单体电池电压，温度的采集和均衡功能。如图1所示。

均衡系统工作过程中均衡模块通过检测电路采集电池组信息，对电池组电压进行，然后完成系统的均衡控制。

均衡模块主要完成的功能有：

（1）电池电压的检测；

（2）电池温度的检测；

（3）电池组均衡控制；

（4）与主模块进行通信；根据均衡系统的功能需要，设计均衡模块硬件电路的框架如图2所示。

3 均衡电路设计

3.1 被动式均衡设计

被动式均衡设计的关键问题之一是均衡电流受到限制。通过电路设计并进行测试，验证电阻发热情况。均衡部分基本电路结构参见图3。

综合考虑车辆空间和均衡电流，电阻参数：

图1：均衡系统整体结构

图2：均衡模块电路框架

电阻额定功率：1 瓦

电阻阻值：100 欧姆

测试条件如下：

电池电压：3.7V

环境温度：65℃

BMS 状态：壳体封闭状态

温度测量点：均衡电路表面

温度测量方式：温度探头

测试完成判据：连续10min 温度无增加

电池温升：11℃。这几乎达到了电动汽车使用的极限。通过与上述车辆匹配考虑，被动式均衡方案可以用于100Ah 以下的乘用车，但是不适用于容量再大的商用车，除非电池的一致性和电池系统的一致性做的更好。

3.2 主动式均衡设计

3.2.1 主动式均衡电路拓扑选择

基于容量和能量的均衡控制策略与基于电压一致性的均衡电路存在差异，在均衡时，可能并非对电压最低的电池进行充电或者对电压最高的电池进行放电，而是基于需要均衡的容量决定需要均衡的电池，所以开关电容等基于电压的均衡电路拓扑并不适用。大容量商用车电池的特点是电池放置较为分散，所以通过能量在本箱内电池互倒的方式并不能解决箱与箱之间电池不一致的问题，所以本报告采用车辆辅助12V/24V 电池作为公共直流母线的方式实现电池组的均衡。基本电路拓扑参见图4。

该电路拓扑主要包括3 个部分：

（1）前端隔离DC/DC：出于安全的考虑，电动汽车上动力电池与车载辅助电池之间属于隔离的系统，因此，均衡设备需要满足该要求。该DC/DC 主要实现隔离功能，工作在开环状态，以固定的占空比和频率工作，输出电压随供电电源的变化而变化。

（2）中间恒流源模块：由于电池均衡过程中需要控制均衡电流的大小，因此在前端DC/DC 之后增加恒流源模块。该模块支持宽电压输入，解决前端输出电压不稳的问题，输出为恒流限压工作模式，可防止电池过充电。

（3）开关整列：如果给每个电池提供一个独立的均衡电源，则一方面均衡器的体积、成本等都很难满足车辆空间的要求，另一方面并非所有电池都需要均衡，所以每个电池配置一个均衡电源利用率也较低，因此本方案设计采用一个均衡电源为多个电池实施均衡的方案，确定那只电池需要进行均衡时，将对应的电池通过开关整列将电池与恒流源连接，实施均衡。

3.2.2 隔离DC/DC 的设计

隔离DC/DC 的电路原理图参见图5。

主电路部分：采用单端正激电路。详细原理参见附件A。变压器的选择原边采用2 个绕组，分别对应12V 和24V，满足不同辅助电平要求。

驱动电路部分：本电路通过调整电阻和电容的时间常数，实现开关频率和占空比的调整。然后利用反相器并联的方式增加驱动能力和提高波形质量，最后采用推挽式电路再次提高驱动能力和电平变换，驱动MOSFET 开通和关断，实现能量变换。

3.2.3 恒流源设计

恒流源的设计采用非隔离BUCK 降压电路，利用Linear 的集成电源芯片LT1050，开关频率500kHz，输入电压范围8.2V～20V。该芯片可实现恒压恒流输出控制，恒流源电路原理图参见图6。通过调整R1 可实现输出电流的调整，输出电流等于4930/R1,A 输出电压限制值由R7 和R8 对输出电压分压后与2.465V比较得到。当分压比低于2.465V，则工作在恒流模式，反之则工作在恒压模式。输出D3采用肖特基二极管，一方面防止电池电压反灌入恒流源前端，另一方面降低线路压降。Q2采用与恒流源相同的电压进行驱动，防止系统下电后电池被R7 和R8 放电。

3.2.3 开关阵列设计

开关阵列采用上图所示的电路。基本原理是：当需要对电池1 进行均衡的时候，闭合开关S1 和S2，当需要对电池2 进行均衡的时候，闭合开关S2，S3。可见S2 可以被电池1和电池2 复用，从而减少开关数量。但是当电池1 接入的时候S2 后端为正极，而S2 接入的时候S2 后端为负极，所以不能直接与恒流源接口，需要S13～S16 对电池极性进行调整。当基数编号电池需要进行均衡的时候，切入电池对应的开关外，需要断开S14 和S15，闭合S13 和S16，反之则断开S13 和S16，闭合S14 和S15。

4 总结

电池在线均衡系统一方面要通过合理的优化电池系统设计，特别是热场分布一致性设计，来缓解电池之间差异性的退化速度，另一方面需要选择高效的均衡策略，提高均衡控制系统的高效性和降低均衡总容量；最后能依据电池技术的现状、电动汽车和储能系统的实际运行状况，合理的选择均衡系统的均衡电流。电池均衡系统通过对电池组内的个别存在差异性的电池进行额外的充电或者放电，改变电池之间的SOC 状态，实现优化匹配，提高电池组的一致性，从而提升电池组的容量和能量利用率。

图3：被动式均衡电路

图4：主动式均衡电路拓扑

图5：隔离DC/DC 电路原理图

图6：恒流源原理图