电动汽车锂电池组主动均衡系统设计

王磊+徐彬

【摘 要】目前，电动汽车车载动力电池组普遍采用锂电池组，为了减小锂电池组单体电池之间的差异，从而增加锂电池组的循环使用次数以及防止意外事故的发生，我们有必要设计有效的均衡系统来缩小单体电池间的差异性，从而保障电动汽车能够安全使用。在本文中，我们基于Buck-Boost电路原理设计了一种主动均衡电路，让电能从电压高的单体转移到电压低的单体上，使各单体趋于一致，实现了单体电池间的均衡。最后，我们进行了实验验证，采集了均衡前后的电压，实验数据表明该均衡系统产生良好效果，实现了预期功能。

【关键词】锂电池组；主动均衡；Buck-Boost

与传统汽车相比，电动汽车具有很多优点，比如：无污染，噪音小，效率高等，所以，这些年来电动汽车得到大家的青睐，发展势头很迅猛，而动力电池技术是约束电动汽车发展的一个瓶颈。单体电池之间工艺和性能在出厂时会存在些许差别[1]。在使用过程中这种差异会逐渐放大，可能导致过充电和过放电的情况[2]，这会对电池造成很大损伤，甚至可能导致爆炸引发安全事故，这必须要引起我们的注意。配备良好的均衡系统可以减小单体之间的差异性，有效的保证锂电池组安全可靠的运行。本文基于Buck-Boost电路原理设计了一种锂电池组主动均衡系统，可以实现单体电池之间的均衡，使单体性能趋于一致，增加了电池组的循环使用次数，保证了电池组的安全使用。

1 主动均衡系统设计方案

1.1 均衡控制策略

实验数据表明，电池的电压与荷电状态具有相关性。由于电池的荷电状态与众多参数有关，要想准确的得出荷电状态的值比较困难。根据电池电压与荷电状态的相关性，我们可以根据单体的电压值判别单体电池电量之间的差异性，从而决定是否需要进行均衡。电池管理系统实时采集单体的电压，当单体电池的电压之间出现差异，并且超过设定范围时，开启均衡电路，使得单体之间趋于一致性。

1.2 系统硬件设计

多个单体电池串联构成锂电池组，电池管理系统电压采集电路采集锂电池组的各单体电池电压，并通过总线传送给均衡主控，主控模块根据各单体电压值采取相应的策略控制均衡模块组对单体进行均衡[3]，使各单体趋于一致性。

1.3 均衡主电路

图1所示的是均衡系统的主电路原理图。图中用 3 个锂电池表述电路图中的原理。

由图可知，电路图中采用的是非能耗型的主动均衡方案，利用电感进行储能。图中，各回路的电源、电感，场效应晶体管和二极管等构成一个典型的 Buck-Boost 电路。通过控制各均衡回路MOSFET 管的导通与关断，实现电能从电压高单体通过变换转移到电压低单体，从而实现各单体电池之间的均衡。

1.4 均衡电路原理

在图1所示的均衡控制电路中，我们选择电池B1和B2之间的相互均衡来分析均衡电路具体的工作原理。二者相互均衡的等效电路图如图2所示。

在图2中，当电池B1需要向电池B2转移能量时，脉冲信号使N1导通，P1断开，电池B1向电感L1传输能量，此时电感L1储能；当脉冲信号处于低电平时，N1关闭，由于电感L1中的电流I不能突变，所以此时电流I流向R1、C2和B2，电感L1向C2充电，再由C2向电池 B2充电，实现电能由电池B1向B2的转移。

当电池B2需要向电池B1能量转移时，脉冲信号使P1导通，N1断开。当P1导通时，电池B2向电感L1传输能量，L1储能；当P1断开时，由于电流I不能突变，故此时电流I流向了R1、C1和B1，从而对C1进行充电，再由C1向B1充电，实现了电能从电池B2向B1的转移。

2 实验与测试

为验证该主动均衡方案能否实现预期功能，我们在电池组处于静态的状态下进行了实际电路实验。电池组由12个锂电池单体串联构成，均衡时间设定为30min。分别测量均衡前后单体电池电压，发现均衡后的电压值的极差和方差比均衡前减小很多，由此可见，均衡后各单体电池电压一致性有明显改善，说明该电路的均衡效果优良，达到了预期的设计功能和要求。

3 结论

结合现有均衡技术，本文基于Buck-Boost电路原理的设计了一种非能耗型主动均衡系统，使得电能从电压高的电池单体转移到电压低的电池单体上。由实验可以得出，该均衡系统能有效提高电池单体间的一致性，较好的达到均衡的效果，从而大幅增加动力电池的循环使用次数，增加电动汽车的单次行驶里程，提高了電池组的利用率[4]。

【参考文献】

[1]王礼进，张会生，翁史烈.内重整固体氧化物燃料电池控制策略研究[J].中国电机工程学报，2008，28（20）：94-98.

[2]王海飞.电动汽车电池组的监测和均衡设计[D].南京航空航天大学，2013.

[3]何仕品，朱建新.锂离子电池管理系统及其均衡模块的设计与研究[J].汽车工程，2009，31（5）：444-447.

[4]姚京，詹昌辉，韩廷，等.车载动力锂电池组主动均衡系统设计[J].电子技术应用，2015，41（1）：129-131.

[责任编辑：田吉捷]endprint