锂离子电池均衡电路的比较

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1、中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会锂离子电池均衡电路的比较冯卓民I,张哲，陈敏，钱照明浙江大学电气工程学院杭州3100271 Email： fzmbeyond摘 要：本文介绍了锂离子电池均衡电路的研究情况，对几种主要的均衡电路拓扑及貢控制的优缺点做出比较.并展塑了 未来均衡电路的发展方向.关键词：锂离子电池.均衡.荷电状态（SOC）1.引言中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会随着锂电池技术的发展和节能环保的重视和普 及，其应用领域越來越广阔，如便携式电子产品、电 动午、混合动力汽车以及太阳能发电系统等新能源领 域。锂离子电池是至今比能戢最高的蓄电池，其比車 量达130Wh/K

2、g,单体电池放电电压3.6V,均比镉银 电池高三倍1、除此之外，锂离子电池有热效应小、 无记忆效应，充电效率远比镉银与氢银电池高。但是 由于其放电电压还是不髙，在很多应用场合依然需要 多组电池串联使用，以达到足够的输出电压和输出功 率。而由于电池组中个单体电池之间存在不一致，经 过连续的充放电循环后，这个电池的荷电状态就与其 他电池严重不平衡.表现为单体电池之间的电压发散 越来越大，将会对电池造成永久性的损坏2。而如果为了避免过充，在容量小的电池充满后即 停止充电，这样电池组的有限容量得不到最大利用： 同样，放电时为了避免过放，也不能最大程度利用电 池组心储的能虽:。所以锂电池均衡技术的研究其

3、有巫 要的意义。2. 几种均篠电路的比较口前锂离子电池均衡电路从均衡过程中电路对能 量的消耗悄况來看，可分为能量耗散型和能量非耗散 型两大类3能量耗散型的均衡电路基本结构如图1所示4。 每节电池都始终并联一个分流电阻，这样电压较髙的 电池通过分流电阴的电流会较大，电压较小的电池通 过分流电阻的电流会较小，从而减少电池间的电压差 达到均衡的目的.其缺点是显然的，效率较低，且无 法控制分流的电流。而夷优点是可靠性高，电路结构 简单成本低廉。图1电阻分流式均衡电路TF IrafivdtmlCB EqualizerA图2独立m元均衡电路为了降低分流电阻丄的损耗，控制分流电流。可 在分流电阻上串联一个开

4、关，如图2。如果检测到电 池的电压较髙，咚对应的控制单元将会开始分流电流 从而达到均衡。这是对纯电阻分流电路的改进，但能 量的利用率还是不够高。对于能量非耗散型的均衡方案，目的国内外的研 究主要集中在两个方而：开关电容法和DC-DC变流 器法。图3开关电容法框图中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会开关电容法|3的结构框图如图3。他是利用开关中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会与电容的组合实现能呈在相邻电池中的传递，直到所 有电池达到统一的电压。这种方法损耗很少，但有以 下问题：可靠性不强，只

5、能实现电压均衡，无法做到 SOC均衡，均衡时间长。利用电力电子的方法经行均衡，按结构可分为集 中式和分布式两种。从理论上讲没有损耗，是现在锂 电池均衡研宛的主流方案。DC-DC变换器方案有多 种拓扑，当前应川的变换器均衡方案主要可分为集中 式变压器的均衡方案5.6.7和分布式均衡方案。集中式变压器的均衡是通过一个多输出的变压器 将能量传递到电压址低的电池中。初级和次级采用正 激和反激结构比较多，如图仏这种结构的主要优点 是均衡效率很高,速度很快。但是其缺点也很明显:图6隔离式单向和戏向结构非隔离的拓扑19.10.11.12中，基于相邻电池间均 衡的双向无变压器结构，在串联电池单体数F1较少的

6、应用场合非常合适。比较常用的拓扑结构有buck- boost 和 cuk,如图 7。次级绕组很难匹配，变压器的洌感所造成的电压基也开关管耐压高等。图7非陽离式均衡电路拓扑图4集中式均衡电路拓扑分布式的结构是在毎个电池单体两端并联一个均 衡电路，属于放电式均衡，即能戢过高的电池向務个 电池组或者其余某些电池放电。其特点是易于模块 化，不足之处在于器件较多。分布式均衡方案从拓扑 结构卜.來讲可以分为隔离型(带变压器)和非隔离型这种结构是相邻两节电池单体间的均衡，电压较 高的电池向梵旁边电圧相对较低的电池传递能量。所 以当需要均衡的电池单体相隔较远时，效率较低。而 且，其控制策略是:若均衡电路在相邻

7、单元间压差达 到允许范帀内时即可停止工作.当然也有为了提高均衡效率在此之上作岀改进提 出某些特殊的拓扑结构，如图8。可以实现某单体电 池与英余电池的均衡，效率较高。但是共同的缺点是 结构复杂，不易于模块化。图5分布式均衡电路拓扑中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会中国电工技术学会电力电子学会第十一届学术年会在隔离型拓扑8中，反激式结构最为常用。英优 点是均衡效率高、开关元件的电斥等级与串联级数无 关，适合于电动汽车等串联电池单体数量多的电池组 均衡。主要缺点是变压器效率不高，有漏感问题，多 个副边参数一致性闲难。主拓扑可分为双向和单向结 构，如图6。3. 串联电池组常用控制策略根据不同

8、的应用场合和要求选用了仟适的电路拓 扑后，还需要有适当的控制策略。从细节上看控制策 略多种多样，总体卜了看常用的主要有平均值、差值 比较法和模糊控制法。电池SOC (State of charge)的不均衡度冇两个标 准：N2厂SOCgJ e,I)仆=maxSOC, -|e2(2)其中 i, j =1,2N, i H j其中，可为一个正的给定值，它决定了对控制梢 度的要求。控制结果中，SOJ*为样本期果值。J 也是一个正的给定值，它决定了最大压差的允许值。 显然0,纠越小，均衡稱度越髙，均衡效果越好。般的均衡方法是简单的比较单体电池SOC与 电池组平均SOC,对SOC比较髙的电池进行放电： 或

9、者比较相邻两节电池的SOC, SOC较髙的给低的 放电。这种控制方法实现起來简单，是口的工业界普 遍使用的方案.英缺点是用单一电流均衡，均衡梢度 和效率无法保证。锂电池的充放电特性与环境温度、电池内阻、 SOC、电池使用时间等密切相关，因此建立精确的锂 电池模型很复杂，实际屮也并不需要这么高的稍度。 对于这种非线性系统，模糊控制有较好的适应性和鲁 棒性，可以用模糊控制來调节均衡电流13。该方法 难点在于确定适用于不同锂电池的模糊控制器设计规 则，需要针对实测的锂电池的性能参数改进模糊规 则。4. 总结和展望随着新能源技术和应用发展，锂离子电池得到了 越來越广泛的应用。串联电池组的均衡电路虽然有

10、着 长足的发展，不同的乞有优缺点，但还是依然无法很 好做到大电流下的动态均衡，各种拓扑在均衡梢度和 一致性下也有待改进。未来的串联锂电池均衡应向离 效可靠、易模块化实用性强，要解决好大电流下的均 衡.这样锂离子电池才能迖用在更大充放电功率的应 用场合。electric vehicle battery system. IEEE Trans.on Industry Applications. 1999.30( 1): 28-356 Chen T C . Guey Z J.Chargc equalizer for series of connected batter)f strings. U.S.

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