刘红锐，古栋华，李海瑞，张 彬，钱 晶

（1.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500；2.昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650039）

前言

近年来锂离子电池技术有了巨大的进步，磷酸铁锂电池、锰酸锂电池、钴酸锂电池等相继出现，锂离子电池性能明显提高，但锂离子电池组内部单体电池间的不一致性依然普遍存在。

随着锂离子电池在电动汽车实际使用中充、放电次数的增多和温度与自放电等因素的影响，单体电池间的性能差异愈加明显。此外，过充和过放会对锂离子电池造成不可恢复的损害，串联锂离子电池组的容量由组内最低的单体电池容量决定，单体性能不一致的电池组在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必须停止充电；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，因此电池组的能量得不到充分利用。另外，这种不一致性将导致某些单体电池的容量迅速衰减，电池组的寿命明显缩短。

1 现有的均衡方法及其特点

为解决串联蓄电池间单体电池能量不一致的问题，目前有许多均衡方法，可分为能耗型均衡和非能耗型均衡，也可称为被动均衡和主动均衡。

1.1 能耗型均衡

能耗型均衡是通过在电池两端并联电阻对电池进行放电，消耗电池多余能量，从而达到均衡的目的。这种方法电路结构简单，成本较低，且易于实现，但存在能量浪费、电阻温升严重、均衡时间长等明显的缺点，因此这种方法目前只是用在充电均衡中，且只适用于容量较小的电池组。

1.2 非能耗型均衡

非能耗型均衡的主要特点是电路结构较复杂，均衡过程的控制难度较大，但均衡过程中的能量耗散较少，经济性更好。

根据均衡所采用均衡元件的不同，非能耗型均衡包括电池旁路均衡、电容均衡、电感均衡、LC均衡和变压器均衡等方法。电池旁路均衡是通过切换开关，将达到电压阈值的单体电池从电流回路中切除，这种方法具有成本低、易实现的优点，但只能应用于小功率的场合；电容均衡的实质是通过单体电池间的电压差来实现均衡，但由于锂离子单体电池间实际的电压相差很小，电容均衡很难使能量转移，因此其均衡时间较长、效率较低；电感均衡将电感作为储能元件，以电感中的电流变化进行能量均衡，在均衡过程中电流的可控性强，均衡速度快，但其成本较高；LC均衡即采用电感和电容作为储能元件进行均衡，该方法弥补了电容均衡法不易达到均衡状态的缺点，但均衡电路复杂，成本较高，控制难度较大；变压器均衡常见的是多磁芯、多副边变压器均衡，变压器的损耗与制作成本较高，但其均衡效率与可靠性较高，在实际中的应用较多。

基于以上均衡方法的特点，本文中提出一种基于反激式变压器的P-C-C-P均衡器（反激式变压器通过原边电源向原边绕组储存能量，并在原边断开时将能量转移至副边绕组），该均衡器可根据电池荷电状态和均衡需要，选择不同的均衡策略从而达到不同的均衡效果，均衡灵活性较高，均衡原理简单。均衡器采用反激式变压器作为能量转移的媒介，在任一种均衡策略中，只需对一个MOSFET进行PWM控制，能量损耗小。

2 均衡器拓扑结构与工作原理

2.1 均衡器电路拓扑结构

均衡器的电路拓扑结构如图1所示。电池系统由n个分别标记为B、B、…、B的单体电池串联组成，均衡器由4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管，1个主控开关M，1个二极管D，2个电容C和一个反激式变压器T组成。其中，4n个带反并联二极管的MOSFET功率开关管包括上层功率开关Q和下层功率开关S，上层功率开关Q由Q及Q（1≤i≤n）组成，下层功率开关S由S及S（1≤i≤n）组成。

图1 均衡拓扑结构

2.2 均衡器工作原理

均衡器可实现3种不同的均衡策略。根据能量转移方式分为电池组到单体电池P-C（pack-cell）、单体电池到单体电池C-C（cell-cell）和单体电池到电池组C-P（cell-pack）。本文中以4节单体电池为例分析均衡电路的工作原理。

采用C-C均衡策略，表示单体与单体之间的均衡，即电池组中SOC值高的单体电池给SOC值低的单体电池充电，如图2所示。假设电池组中B的SOC值最高，B的SOC值最低，则以B向B进行能量均衡。此时，控制Q和S处于导通状态，选通单体电池B；控制Q和S处于导通状态，选通单体电池B，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关M导通时，单体电池B中的能量储存在反激式变压器中；M关断时，储存在变压器中的能量转移到单体电池B中。

图2 C-C均衡策略示意图

当电池组中的单体数目较多时，采用C-C均衡策略，即单体电池一对一地转移电能，势必要花费较长时间，效率较低。为此，提出P-C均衡策略和C-P均衡策略。

P-C均衡策略适用于电池组某个单体电池的SOC值最低，而其他单体电池间SOC的差值小于1%的场合，选择由整个电池组向SOC值最低的单体放电，如图3所示。比如假设电池组中单体电池B的SOC值最低，其他单体电池的SOC差值小于1%，则由电池组向B进行放电。此时，Q和S处于导通状态，选通电池组；控制Q和S处于导通状态，选通单体电池B，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关M导通时，电池组中的能量转移到反激式变压器中；M关断时，储存在变压器中的能量就转移到单体电池B中。

图3 P-C均衡策略示意图

C-P均衡策略适合于电池组中某个单体的SOC值最高，而其他单体间SOC的差值小于1%，选择由SOC值最高的单体向整个电池组放电，如图4所示。比如假设电池组中单体电池B的SOC值最高，其他单体电池的SOC值差异小于1%，则由单体B向整个电池组放电。此时，Q和S处于导通状态，选通单体B；控制Q和S处于导通状态，选通电池组，并对主控开关M进行PWM控制。当主控开关M导通时，单体B中的能量便转移到反激式变压器中；M关断时，储存在变压器中的能量便转移到电池组中。

图4 C-P均衡策略示意图

均衡过程中的一个开关周期内，电池放出的能量为E，能量损耗为E，能量转移效率为η。

式中：R为主控开关M的导通电阻；V为二极管D的导通压降；i为均衡器原边电流；i为副边电流；u为变压器原边所接的单体电池或电池组的电压；t为主控开关M在一个周期T内的导通时间。

3 均衡实验

3.1 实验平台

为验证本文提出的均衡器和均衡策略的可行性，选用4个串联磷酸铁锂电池进行均衡实验。每个单体电池的额定电压为3.2 V，额定容量为21 A·h。均衡实验为SOC均衡，采用开路电压法通过E-SOC曲线来估算SOC值，均衡器中的主控开关M采用导通电阻为8 mΩ的N沟道MOSFETIRF3205。同时以无均衡的4个单体电池来进行充放电对照实验。实验中，PWM波形与均衡电流波形均由TBS2000数字荧光示波器获取，利用MC2000S软件监测串联电池组在充放电过程中的电压与电流，此外还有电压探头、电流探头和直流电源等实验设备。实验平台如图5所示。

图5 实验平台

3.2 电池组在充电状态下的均衡实验

实验使用的4个单体电池的初始SOC分别为8.93%、13.15%、19.48%和30.87%。整个充电均衡过程包括由电网向电池组充电和电池组内部单体之间的均衡过程，两者同时进行。电池组在充电过程中，每次充电时间为6 min，充电电流为10 A，当电池组中有任意一个单体电池的SOC值达到（75±2）%时，则停止充电过程。而电池组内部的均衡过程是，开始时选择电池组中SOC值最高的B向SOC值最低的B进行均衡放电，即C-C模式。每次充电后，重新选择电池组中SOC值最高的单体电池向SOC值最低的单体电池放电。当电池组中各单体间的SOC值最大差值降低到±1%或当电池组充电过程结束时，则停止均衡过程。

充电均衡过程进行至第72 min时，由于B的SOC值达到了76.94%，因此须停止充电过程。充电均衡后各电池单元的SOC值如表1所示。

表1 充电均衡过程结束后各单体电池SOC

主控开关M的PWM波形和均衡电流波形如图6所示。

图6 充电状态下的均衡电流波形

3.3 电池组在放电状态下的均衡实验

以初始容量分别为74.58%、73.19%、76.23%和76.94%的4个单体电池进行放电均衡实验。整个放电均衡过程同样包括整个电池组放电和电池组内部单体之间的均衡过程，两者同时进行。电池组在放电过程中，每次放电时间为6 min，放电电流为10 A，当电池组中有任意一个单体电池的SOC值达到（15±2）%，则停止放电过程。

而电池组内部的均衡过程是：开始时，选择电池组中SOC值最高的单体电池B向SOC值最低的单体电池B均衡放电。每次放电后，重新选择电池组中SOC值最高的单体电池向SOC值最低的单体电池放电。若各单体电池间SOC的最大差值降低到±1%，或放电过程结束，则停止均衡过程；但若其中某个单体电池的SOC值最高（或最低），而其他单体电池间的SOC差值小于1%时，则控制SOC值最高的单体向整个电池组放电，即C-P模式（或整个电池组向SOC值最低的单体放电，即P-C模式），以加快均衡过程。

放电均衡过程进行至第144 min时，由于B的SOC值达到了16.07%，停止整个放电均衡过程。放电均衡后各电池单元的SOC值如表2所示。

表2 放电均衡过程结束后各单体电池SOC

主控开关M的PWM波形和均衡电流波形如图7所示。

图7 放电状态下的均衡电流波形

3.4 电池组在静置状态下的均衡实验

以初始容量分别为16.62%、16.07%、16.95%和16.24%的4个单体电池进行静置均衡实验。实验过程中选择SOC值与电池组平均SOC差值最大的两个单体电池进行C-C模式的均衡。当各单体电池间SOC的最大差值降低到±1%时，则结束静置均衡过程，否则继续上述均衡过程。静置均衡结束后各单体电池的SOC值如表3所示。

表3 静置均衡过程结束后各单体电池SOC

均衡过程中4个单体电池的SOC变化曲线如图8所示。

图8 充放电及静置状态下各单体电池SOC变化曲线

3.5 无均衡对照实验

实验过程中，搭建以4个单体电池为基础的串联无均衡对照实验模型。设置各单体电池初始SOC值与均衡实验SOC初始值一致，并以10 A的电流向电池组进行充放电实验。充放电结束后各单体电池的SOC值如表4所示。

表4 无均衡条件下充放电后各单体电池SOC

充放电过程中4个单体电池的SOC变化曲线如图9所示。

图9 无均衡实验各单体电池的SOC变化曲线

3.6 实验结果分析

通过表1～表3可知，经充放电和静置均衡后，各单体电池间SOC的最大差值由21.94%减小到0.38%；通过表4可知，无均衡条件下，经充放电和静置过程后，各单体电池间的最大SOC差值为20.44%。

由图8与图9对比可知，加入均衡器的电池组在充电72 min后达到充电截止条件，放电72 min后达到放电截止条件；而未加均衡器的电池组在充电72 min后，SOC值最高的单体达到了84.76%，放电72 min后，SOC值最低的单体达到了10.18%。

对均衡前后的SOC总体标准差∂进行计算，总体标准差∂越小，各单体电池的一致性越好；反之，各单体电池的一致性越差。

总体标准差∂计算公式为

经计算，串联电池组初始与均衡后的SOC总体标准差∂分别为7.981和0.135。由此可知，加入均衡器后，可以使电池组在充放电过程中，始终保持在相对安全的环境，串联电池组的充放电容量都得到较大提升。这说明该均衡器具有良好的均衡效果，降低了各单体电池间的不一致性，使整个电池组的可用容量得到提升，从而避免电池组中某个初始容量最高或最低的单体电池先达到极限值，而导致整个电池组无法继续充电或放电的情况发生，实现了延长电池组使用寿命并提升电动汽车续航能力的目标。

4 结论

锂离子电池的均衡控制技术是电池管理系统的关键技术之一，针对电动汽车锂离子电池组各单体电池间始终存在电量的不一致性问题，提出一种基于反激式变压器的P-C-C-P均衡电路。该电路具有体积小、均衡效果好、成本低、可扩展性强等特点，在充放电和静置过程中可以根据情况在3种均衡策略中自由切换，提升了均衡速度。通过与无均衡实验的对比分析，说明该均衡器可以较好地解决电池单体间的不一致性，延长了电池组的使用寿命，提高了电动汽车的续航能力。伴随着电力电子技术的发展，未来可以选择损耗更小的开关器件，从而进一步提升均衡效果。