安徽理工大学电气与信息工程学院 付 望

锂电池在经过长时间的技术发展，以及世界各国对环境保护概念的重视，锂电池逐渐被世界各国重视并广泛应用，比如现阶段国家大力发展的纯电动汽车，以及应用在其他生活生产的储能设备中。锂电池组是由电池单体组合而成，而在生产过程中，各电池单体容量在一定范围内存在一定差异，这便约束了锂离子电池的大规模应用，而通过均衡电路则可以有效的解决电池单体容量差异的问题，如何使锂电池组得到均衡控制是目前研究难点之一。因此对锂电池均衡电路进行探究也更有意义。

锂离子电池作为新型电池，相对传统电池具有自放电率低，循环充放电次数多，单体工作电压高，在较大的温度变化范围内正常工作，不存在记忆效应等特点，因而锂离子电池更容易成为储蓄动力电池的最佳选择。锂电池技术经过长时间的发展越来越完善，大规模锂电池组的应用也越来越广泛，在电动汽车，储能等领域成为最佳选择之一。而单体锂电池在生产过程中存在差异，以及在使用过程中又加大了单体电池的差异性，所以，要实现大规模锂离子电池的广泛应用，电池组的有效均衡控制是目前的关键技术之一。因此，深入研究锂电池均衡电路以及均衡控制策略具有重要的意义。

1 锂电池技术

近年来能量可以以多种方式储存，但是对于大多数应用设备来说，最好的选择是锂电池，因为它携带方便，污染小。此外，锂电池供电的电子设备已经逐渐成为现代社会生活的必需品。锂电池可以用于小型应用，例如移动电话、电动车，也可以用于大型设备，例如电力网络，因为它高效且稳定。除了安全，使用锂电池作为储能设备还需考虑日常维护和电池的使用寿命。

1.1 电池模型

创建一个锂电池的精准模型，能达到对锂电池更有效地利用。在如今的发展中，有三种建模模型。三种模型是电化学模型、数学模型和电路模型。

电化学模型是基于电池内部发生的化学过程，并详细解释了这个过程。细节越多，模型越复杂。这种模型需要结合很多数学公式，涉计高等数学中的高阶偏微分方程，常微分方程，常规的处理需要进行简化降阶方程式，减少模型的复杂度，这样在确保模型精准度的前提下，又增加了大量的工作量。

另一个模型是数学模型，该模型通过数学方式表达过于抽象化，无法在现实中实现，但对于专业设计人员在预测系统行为(如电池寿命预测、电池效率或容量)时采用经验方程或数学模型非常有用。但是该数学模型不能提供重要的伏安信息，这是电路模拟和优化所需要的。数学模型分为几个模型，即：Peukert定律，它是一种通过考虑电池的部分非线性特性来预测电池寿命的模型；Rakhmatov Vrudhula模型，通过解释电池活性材料中的扩散过程发展了Peukert定律动力电池模型，利用电池动力内部的化学过程。

电路模型的精度水平介于电化学模型和数学模型之间，该模型是一个使用电压源、电阻和电容等组合的电池等效电路模型，这种模型对于设计和模拟电气系统电路非常重要。

1.2 锂电池均衡技术

不同设备需要不同电压与容量，单体锂电池的电压与容量相对较小，而通过简单的串并联电路可以满足不同设备的电压与容量的需求。在锂电池的生产过程中，需要多种化学材料以及多重化学工艺，这些不可避免的状况使各单体电池从出厂时就有参数差异。在电池经过长时间的使用下，各单体的容量、实际电压值、自放电率等都会出现差异性，且随着循环使用次数的增加加大了个体的差异性，最终导致电池寿命的缩减，电池组出现离散现象。根据“木桶效应”，电池组的容量决定因素是由容量最低的单体电池，最低容量的单体电池导致整个电池组容量的降低。而电池组通过设计均衡电路以及控制策略，均衡电路能通过控制策略对各电池单体进行控制调节，从而在应用过程中，电池组的容量能够在一定范围内达到一致，提高电池组整体的储能容量。

2 均衡电路拓扑结构与控制策略

目前均衡技术主要包括均衡拓扑方式和均衡控制策略两方面。可以将均衡拓方式分为两类：主动均衡和被动均衡。

2.1 被动均衡

被动均衡是通过加入电阻来改变电池单体间电流的大小，从而达到控制各单体电池容量差的目的。这种控制方式结构简单，成本较低、操作简单，但由于以电阻耗能的形式来消耗电池单体过多的能量，可能存在散热问题，更容易造成电池单体性能的改变，进而电池单体间的差异又进一步加大。

2.2 主动均衡

另一类为主动均衡，由于耗散型被动均衡存在的问题，提出了主动均衡的控制方式。从较高容量电池单体转移过多的容量给较少的电池单体。通常，主动均衡电路按能量的传输方式不同可以分为四种：相邻单体电路（adjacent cell-to-cell），此电路的拓扑包括开关电容拓扑、双向CûK拓扑，准谐振拓扑，以及多个变压器的拓扑。由于能量存储装置之间的能量分布可以通过控制多个并联开关来实现，电路具有控制简单和模块化设计的优点。然而能量必须通过所有电池单体和拓扑中的平衡电路，所以效率很低。单体—单体电路（direct cell-to-cell），相关拓扑包括开关电容拓扑、开关电感拓扑、以及准谐振拓扑，其优点包括消除耦合效应并且提高效率。然而，开关器件遭受电压应力也增大，特别是电池组中的单元数量较多时，这也增加了此拓扑结构的成本。此外，因为一次仅均衡两个单体电池，电压均衡时间过长。单体—电池组电路（cell-to-pack），将单体电池的能量传递到整个电池组，使得每个电池可以独立且灵活地实现电压平衡。电路包括中提出的buck—boost分流拓扑、反激拓扑、开关变压器拓扑以及多绕组变压器拓扑。电路的主要缺点是需要大的磁体。以及电池组—电池组电路（multicellsto-multicells），在单个开关周期内将能量从多个电池转移到多个电池，该拓扑实现了能量快速转移和均衡时间较短。然而，这种拓扑需要使用多个继电器进行能量传输，与场效应晶体管开关相比，继电器体积庞大，不能用于高频应用，预期寿命明显低于半导体开关。

2.3 均衡控制策略

均衡控制策略的研究重点主要在均衡控制方法上，用合适高效的控制方法控制均衡电路是目前研究的难点，常用的均衡控制方式包括平均值差值控制法，模糊控制法，非线性PID控制，以及遗传算法等。各种方法都有不同的优势以及劣势，在根据具体需求充分结合具体均衡电路选择适合的控制方法，并不断加以改进才能实现最佳控制。

结语：本文详细介绍了锂电池的优缺点，引出当前锂电池的研究热点—均衡控制电路，详细阐述了锂电池均衡电路的产生原因，以及现阶段常见的均衡电路拓扑结构和控制策略。对进一步深入探究锂电池均衡电路具有重要意义。