摘要：针对电动汽车锂电池组运行一段时间后会逐渐发生不一致性的问题，以及部分电池容量快速衰减，实际充电容量和续航里程加速减少的实际情况，电动汽车锂电池组需要配备电池均衡设备，以解决电池衰减速度过快影响电池续航的难题。另外，针对目前电动汽车锂电池组主动均衡设备成本过高的实际，设计了一种新型低成本、高效率、实时均衡的主动型转移式电池均衡器，通过压差控制技术使电能在高、低压电池间高速流动，实现电池快速均衡，并达到功能与成本的兼顾，系统虽然没有采用同步整流技术，但均衡效率并没有降低，甚至优于已知同步整流设计的均衡器，最大持续高达几安培的均衡电流完全满足单体容量几十安时至几百安时的电池组使用。

关键词：串联电池组，主动均衡，实时均衡，同步整流，相对电压

Design and implementation of a real time equalizer for battery pack of electric vehicle

Zhou Baolin1  Lai Jiahong2  Zhou Quan3

(Daqing Transport department  Daqing Heilongjiang 163311）

（Hunan Fengri power & Electric  Liuyang Huna 410331）

（LanZhou JiaoTong University  Lanzhou Gansu 730070)

Abstract：In the period of the lithium ion battery of electric vehicle running out, the problem of inconsistency will occur gradually, the rapid decay of some battery capacity, and the actual charging capacity and the accelerated all reduction of mileage. Lithium batteries for electric vehicles need to be equipped with battery balancing equipment to solve the problem of battery decay speed too fast impact battery life. In addition, a new type of active transfer battery equalizer with low cost, high efficiency and real-time balance is designed to solve the active balancing equipment of EV lithium battery expensively, Through the differential pressure control and differential current technology to adjust the battery current and voltage , and the battery can be quickly balanced. Although synchronous rectification technology not used in the system, but the equilibrium efficiency does not decrease, even better than the known synchronous rectifier design equalizer, the equilibrium current maximum sustained up to several amperes completely satisfied the single battery capacity to use hundreds of dozens.

Key words: series-connected battery string，active equalization; Real time equalization；Differential current；synchronous rectification；Relative voltage

0  引言

电动汽车运行期间因实现了零排放，对空气无污染而备受政府重视和百姓喜爱，逐渐得到了社会认可，整车生产厂商和电动汽车社会拥有量也逐渐增加。

电动汽车的核心储能装置是电池组，随着动力锂电池技术的快速发展，以锂电池为储能动力源的电动汽车高速发展，然而，随着电动汽车行业的多年发展，一个电动汽车特有的问题凸显出来，实际行驶里程快速缩水问题普遍，明显超出汽车厂商给出的单位时间衰减率。

如何控制和治理电池组的快速衰减问题一直是电池组管理的技术难点。要解决衰减就必须解决电池组的不一致性和均衡问题，因此各种各样的电池均衡技术逐渐应运而生，各有特点，适合不同需要的电池组，主要包括充电均衡和转移式均衡两类，充电均衡的典型代表是耗能均衡和变压器式充电均衡，耗能均衡的技术路线简单，控制容易，但浪费宝贵的电能，既不节能也不环保，只适用于小容量电池组，唯一的优势是成本低；变压器式充电均衡的均衡效率要好于耗能均衡，但体积过大，控制精度低，最重要的是所有充电均衡器都无法解决电池过放电的难题。转移式均衡通过控制电能在高、低电压电池间的流动，即“放高补低”实现电池均衡，具有电能利用率高，均衡效率高的优势，但这类技术普遍具有控制复杂，设备成本高、适应性差的劣势，特别是成本过高使其难以普及和推广，只能用于特殊场合。

本文提出了一种低成本实时均衡器，是同时具有静态均衡、均衡充电和均衡放电功能，并且可以任意级联的转移式电池均衡器[1]。设计上，不采用任何专用芯片，如CPU、MCU，不使用同步整流芯片和A/D芯片，不进行电压绝对值检测与控制等，驱动信号占空比自动调节，均衡电流自动调节，自动按需启动均衡功能，通过压差控制技术实时调节电池的充放电电流和工作电压。充电时，对大容量电池增大充电电流，小容量电池减小充电电流，实现均衡充电；放电时，对大容量电池增大放电电流，小容量电池减小放电电流，实现均衡放电；在充放电恢复期或静止期间，以相对电压是否达到设定基准电压差为标准作为均衡开启与关闭条件，总之，无论电池处于哪种状态，都以相对电压差是否达到设定基准电压差值作为电池均衡完成的依据，均衡结束后自动进入待机检测微功耗状态，减少电能损耗。

1  均衡器的结构

本文提出的电池均衡器在电路结构上包括矩形脉冲振荡电路、相对电压差模糊比较电路、逻辑控制电路、电子开关、脉冲整形驱动电路、脉宽控制电路、频率控制电路、换能电路等，换能电路单元结构，如图1所示，直接并联在电池的对应电极上，不影响原充、放电电路。

图1 均衡器单元结构

当电池串联数量多于2块时，只需进行级联即可，如图2所示，没有上限数量限制。如果电池数量为N（N≥2），则需要单元均衡器数量为N-1，为便于安装和减少连接线数量，通常将多个单元均衡器封装在一起，在内部进行级联。

图2  电池组中多均衡器连接图

2  均衡器的原理

均衡器的工作电源取自电池本身，利用相对电压差模糊比较电路识别相邻电池的相对电压差与基准电压差的大小关系，在逻辑控制电路的控制下，脉冲振荡电路产生的脉冲、经电子开关、脉冲整形驱动电路驱动换能电路，从高电压电池间歇性取电充入到低电压电池中，直至两电池电压平衡，为典型主动均衡技术。逻辑控制电路自动控制电子开关的开关时间，自动调整脉冲信号占空比，完成均衡电流的自动调整。为降低系统损耗，系统采用变频设计，当均衡电流比较小时，例如只有几百毫安，系统采用较低频率运行；当均衡电流增大时，逐渐增大系统主频至最高频率，降低开关器件损耗，提高系统效率。

这种设计，对于电池的均衡不再区分电池的工作状态，在电池的静止、充电、放电各个状态均实时进行高效、高速均衡，快速改善电池的不一致问题，特别是实时均衡功能的介入，既能降低对均衡电流大小的要求，又有利于电池组的安全、高效能运行。

下面只选取一个均衡单元并且以静态均衡为例进行说明，在充电、放电期间，由于是动态检测电池间相对电压差异，均衡原理同静态均衡类似，请参阅参考文献[2]，不再赘述。

如图3所示，这是基本单元换能电路在电池B1的电压大于电池B2时的均衡电流走向图。

图3  静态均衡电流走向图

图3中，电池B1的电压高于电池B2的电压，在逻辑控制电路作用下，在脉冲信号的负半周，开关管Q1开启，电池B1的部分电量通过Q1暂存在电感L中，图中实线箭头方向为电流方向，在脉冲信号的正半周，开关管Q1关闭，暂存在电感L中的电量在电感特性下通过续流二极管D2充入到电池B2中，图中虚线箭头方向为电流方向，电池B1由于释放电量电压逐渐降低，电池B2通过吸收电量电压逐渐上升，当电池B1和B2的电压达到均衡设定精度时，Q1关闭，电池间不再进行电量流动，均衡结束。

当电池B2的电压高于电池B1的电压时，过程和原理类似，不再赘述。

当电池串联数量多于两块时，均衡器通过级联运行实现电能从高电压电池向低电压电池流动，鉴于电池组内不一致性电池分布的离散型，这种衡方式具有很高的均衡效率。

本设计没有采用同步整流芯片来取代续流二极管，是由于采用续流二极管的综合性价比优于同步整流芯片。一是简化设计，提高可靠性；二是成本低，元器件易购；三是中小电流下效率高，同步整流技术在连续大电流工作环境下具有效率上的优势，但如果均衡电流处于中小电流下，特别是低于1安至几百毫安甚至更低的情况下，电流效率甚至低于采用续流二极管设计，相反还处于明显的高成本劣势。

本文所述电池均衡器实时均衡、实时介入，能有效避免正常电池与“落后”电池间电压差的扩大，电池间的电压差始终处于最小状态，如果电池容量相差不是非常悬殊，很少会发生大电压差和大电流（>5A）均衡的情况，故取消了同步整流设计，既明显降低了设备的复杂性和成本，又提高了可靠性。

关于信号占空比的控制，参考文献[3]中要求小于45%，本设计则与此相差较大，如果将驱动信号的占空比限制在45%，则无法实现自适应均衡电流，当均衡电流需要大于1A时，无论是Q1管还是Q2管，驱动信号的有效占空比必须大于45%才能获得最佳均衡电流和均衡效率，才能有效控制相邻电池电压差达到足够小，对于本文设计，当相邻电池间的电压差达到20mV、40mV、60mV左右时，相应的均衡电流可以达到1A、2A、3A左右，十分有利于电池的快速均衡。图4为均衡结束时振荡器输出信号，占空比约52%，当相邻电池间电压差发生变化时，信号的占空比将发生相应的变化，通常是在45%-55%之间变化，以满足不同均衡电流的需要。

图4  均衡结束状态下振荡器的输出信号波形

Q1为P沟道场效应管，相邻电池电压差增大时，通过逻辑控制电路，驱动信号的正占空比逐渐减小，负占空比逐渐增大，使均衡电流增大，如图5、图6、图7是均衡电流在2A、3A、5A时Q1的驱动波形，可以明显看出驱动信号占空比的变化；Q2为N沟道场效应管，当相邻电池电压差增大时，通过逻辑控制电路，驱动信号的正占空比逐渐增大，使均衡电流增大，限于篇幅，驱动波形图略。随着均衡电流的增大，输出电流波形也发生明显变化，如图8所示，存在较为明显的波动。

图5 均衡电流2A时Q1驱动信号波形

图6 均衡电流3A时Q1驱动信号波形

图7 均衡电流5A时Q1驱动信号波形

图8 均衡电流5A时输出电流波形

3  实验结果及分析

本设计由于为实时均衡，因此相邻电池间的电压差可以控制得非常小，通过精度设置可以控制在几毫伏以内。

为了验证本文提出电池均衡器的工作原理，搭建了两个实验平台。第一个实验平台，主要测试电流转换效率。包括两节5Ah锂电池串联电池组、供电电源、恒流电子负载、本文均衡器基本单元实验板。通过恒流电子负载对一块电池强制放电，当通过均衡器的恒流输出电流达到1A时，另一块电池通过均衡器的放电电流约为1.22A，优于文献所述对应电流值1.4A[3]，实验样机上的开关管及续流二极管均为无散热器设计，在此均衡电流下，续流二极管仅有微小的温升，几乎可以忽略，当均衡电流连续处于4-5A时，开关管及续流二极管开始有少量的温升，完全不影响设备安全运行。

第二个平台，测试16串锂电池组在本文均衡器介入下，静态均衡、均衡充电、均衡放电结束时最高电压与最低电压电池的电压差变化情况。包括16块不同容量和电压的5Ah锂电池串联电池组、供电电源、恒流电子负载、本文均衡器实验板。实验一，静态均衡实验，实验前，对电池顺序编号并分别记录电池电压，在连接固定输出电压供电电源情况下接入均衡器样机，进行静态均衡，待电压稳定后测量并记录各电池电压，前后电压对照数据如表1。均衡前，最高电压与最低电压差值达到0.261V；均衡结束后，电池电压呈均匀分布，最高电压与最低电压差只有8mV。实验二，均衡充电实验。在实验一的电池组基础上，取下电池均衡器，使用供电电源随机对6块电池补充部分电量，使其电压上升至3.7-3.8V左右，这样最高电压与最低电压差达到0.2V左右，再将均衡器接入电池组并对电池组充电，设定恒流充电电流2A，至充电结束时，初始状态下电压最高的电池也没有发生过充电情况，最大电压差低于17mv，如果保持充电器的连接，最大电压差进一步缩小，最终低于10mv。实验三，在实验二的电池组基础上，取下电池均衡器，使用恒流电子负载随机对4块电池释放部分电量，使其电压下降至3.9-4.1V左右，这样最高电压与最低电压差达到0.3V左右，再将均衡器接入电池组，并对电池组采用1A电流恒流放电，至放电结束时，电压相对最低的4块电池，没有一块发生过放电情况，都实现了安全放电，最大电压差约15mv。限于篇幅，实验二和实验三的最终数据略。电池组充放电均衡期间，如果电池的容量差异不是非常悬殊，并且充放电流也不是非常大，则基本不会发生超过几安培的均衡电流情况[4]。

表1 电池组静态均衡电压表

各项大量对比试验证明，这种均衡技术由于具有实时介入特点，有效均衡时间长，且均衡电流随电池电压差自动调整，明显提高了电池容量的利用率，特别是大容量电池得到合理的最大化使用。

4  结论

本文针对串联电池组运行期间易出现不一致性问题影响电池组使用效能和寿命的难题，设计了新型电能转移式实时电池均衡器，利用电感作为换能器件，实现高电压电池和低电压电池之间的电能高效传递，通过差异化电流技术实时调节电池的工作电流和电压，以相邻电池相对电压差是否高于设定值为均衡启动条件，均衡电流自动调节，因具有实时介入、实时均衡特点，几安培以上的大电流均衡情况发生概率低，为进一步降低成本，未采用同步整流设计，转换效率并未因此降低，均衡后各单体电池电压最大差值在10mV左右，实现了低成本与高效、快速均衡的有机结合。这种技术能实现电池容量利用的最大化，充分利用了资源，减少废电池的产生，既提高了电池组运行的可靠性、安全性、稳定性，也减少了大量废旧电池带来的环境污染，节能环保意义重大。

参考文献

[1]周宝林.电量转移式电池均衡器:中国,201220153997.0[P].2013.03.20

[2]周宝林,周全.转移式电池均衡技术研究与应用[J].电池工业,2014,Z1：280-284.

[3]孙金磊,逯仁贵,魏国,等. 一种电动汽车串联电池组主动均衡器的设计和实现[J].电机与控制学报,2013,(10):33-38.

[4]周宝林, 赖家洪, 周全. 转移式电池均衡技术在蓄电池组中的应用[J]. 蓄电池, 2016(4):196-200.

第1作者简介：

周宝林 男，黑龙江大庆市交通运输局，高级工程师，工程硕士，

主要从事电池保护技术研究

编辑：《电源工业》杂志