鋰電池均衡電路的工作原理分析

新能源和電動(dòng)汽車的發(fā)展，都會(huì)用到能量密度比較高的鋰電池。而鋰電池串聯(lián)使用過程中，為了保證電池電壓的一致性，必然會(huì)用到電壓均衡電路。今天跟大家一起分享一下，我在工作中用過幾種電池的均衡電路，希望對(duì)大家有所幫助。

最簡(jiǎn)單的均衡電路就是負(fù)載消耗型均衡，也就是在每節(jié)電池上并聯(lián)一個(gè)電阻，串聯(lián)一個(gè)開關(guān)做控制。當(dāng)某節(jié)電池電壓過高時(shí)，打開開關(guān)，充電電流通過電阻分流，這樣電壓高的電池充電電流小，電壓低的電池充電電流大，通過這種方式來實(shí)現(xiàn)電池電壓的均衡。

但這種方式只能適用于小容量電池，對(duì)于大容量電池來說是不現(xiàn)實(shí)的。

負(fù)載消耗性均衡的示意圖

第二種均衡方法我沒有實(shí)驗(yàn)過，就是飛渡電容法。簡(jiǎn)單的說就是每一節(jié)電池并聯(lián)一個(gè)電容，通過開關(guān)這個(gè)電容既可以并聯(lián)到本身這節(jié)電池上，也可以并聯(lián)到相鄰的電池。

當(dāng)某節(jié)電池電壓過高，首先將電容與電池并聯(lián)，電容電壓與電池一致，然后將電容切換到相鄰的電池，電容給電池放電。實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。

由于電容并不消耗能量，所以可以實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)損轉(zhuǎn)移。但這種方式太繁瑣了，現(xiàn)在的動(dòng)力電池動(dòng)不動(dòng)幾十節(jié)串聯(lián)，要是采用這種方式，需要很多開關(guān)來控制。

飛渡電容法工作原理圖，只是畫出相鄰兩節(jié)電池的均衡原理圖

第一次做均衡，是做的一款動(dòng)力電池組的充電，電池容量 80ah 的兩組并聯(lián)，要求均衡電流為 10a。原來了解的一點(diǎn)均衡的原理根本不夠用，這么大電流都相當(dāng)于一個(gè)一個(gè)的小模塊了，最后還真的是采用 n 個(gè)小模塊串聯(lián)，每節(jié)電池并聯(lián)一個(gè)小模塊，如果單體電池電壓低于設(shè)定值，啟動(dòng)相應(yīng)的并聯(lián)模塊，對(duì)低電壓電池啟動(dòng)充電，補(bǔ)充能量提升電壓，實(shí)現(xiàn)均衡。

下圖為當(dāng)時(shí)采用的均衡電路的示意圖，DC-DC 輸入母線既可以是電池電壓，也可以是別的模塊提供的直流輸入，根據(jù)需要靈活配置。

主動(dòng)均衡方法可以采用我前面提到的一個(gè)變壓器多路輸出的方法。

如果你想利用下面的電路示意圖，做一個(gè)多路輸出的反激電源，利用各個(gè)模塊的輸出電壓來對(duì)電池實(shí)現(xiàn)均衡，我估計(jì)你需要很深的功力才可以，因?yàn)閱螁谓徊嬲{(diào)整率這一項(xiàng)就很難。但是，利用這個(gè)電路，我們可以換一下思路，各路輸出不需要穩(wěn)壓，當(dāng)然為了防止開路損壞輸出電容，我們可以做一個(gè)簡(jiǎn)單的原邊反饋。然后在每路輸出到電池之間串聯(lián)一個(gè)電子開關(guān)，由于這種均衡是配合電池管理系統(tǒng)一起工作的，因此每路輸出只要串聯(lián)一個(gè)電子開關(guān)，由管理單元控制即可，哪路電壓地我們就可以打開這個(gè)電子開關(guān)，有電源輸出給該節(jié)電池充電，直到所有單體電池電壓達(dá)到我們的期望值。

采用這種均衡方法，曾經(jīng)做過 1000AH，7串電池及 300AH，80串電池的均衡，均衡完成后，所有單體電池電壓可以達(dá)到 5mV 以內(nèi)。

多繞組變壓器法結(jié)構(gòu)圖

主動(dòng)均衡也可以采用能量轉(zhuǎn)移的方法。所謂能量轉(zhuǎn)移，既可以是從整組電壓取能量向低電壓補(bǔ)充，也可以是從將電壓過高的電池取能量向整組電壓反饋。

我在一款通訊電源電源系統(tǒng)中用過第二種方式實(shí)現(xiàn)過電池均衡。電路原理圖如下：

當(dāng)時(shí)做的是16串鋰電池的均衡，分成了兩組，每組8只電池串聯(lián)，這里只畫了6只描述工作原理。

如果電池 B5 電壓過高，控制 Q5 以 PWM 模式工作，當(dāng) Q5 開通，電感 L5 儲(chǔ)能；當(dāng) Q5 關(guān)閉，電感儲(chǔ)存的能量就會(huì)通過 D5 給電池 B1-B4 充電，降低 B5 電池電壓抬高其余電池電壓，利用同樣的原理可以分析其余電池組電壓過高時(shí)候的工作過程。

在試驗(yàn)過程中，兩組之間各自采用這種方式均衡。當(dāng)兩組之間出現(xiàn)偏差的時(shí)候，就可以采用雙向 DC-DC 進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換了，這樣采用的模塊數(shù)量較少，設(shè)計(jì)比較方便。

我當(dāng)時(shí)沒有采用雙向 DC-DC，而是簡(jiǎn)單的采用能量消耗性做兩組之間電池的均衡。從最終的試驗(yàn)效果來看，電池均衡還是比較不錯(cuò)的。

在均衡過程中，如果對(duì)每節(jié)電池提供一路充電模塊感覺屬于殺雞用牛刀，能量消耗型有達(dá)不到技術(shù)要求，也就是需要主動(dòng)均衡，那么前面提到的變壓器一拖多輸出的方法，也許更適合你的需要，采用合適的變壓器，做原邊反饋限流的多路輸出反激電源即可。

其實(shí)，隨著動(dòng)力電池的應(yīng)用發(fā)展，不僅均衡，電池過充過放的保護(hù)，也就是我們常說的保護(hù)板的應(yīng)用也會(huì)越來越廣闊。我們知道原來的18650電芯，十幾串的保護(hù)板用 ic 很常見，實(shí)現(xiàn)短路、過充保護(hù)、過放保護(hù)。但如果是幾十串的電芯呢，不知道有沒有接觸過這方面資料的網(wǎng)友，可以一起交流下。

這就是截止目前為止，我試驗(yàn)過的四種電池均衡的方式，均衡的電池從 2AH 到 1000AH，串聯(lián)的節(jié)數(shù)從7串到120串。

個(gè)人感覺如下：

1. 對(duì)于 10AH 以內(nèi)的電池組，采用能量消耗型可能是比較好的選擇，控制簡(jiǎn)單。

2. 對(duì)于幾十 AH 的電池組來說，采用一拖多的反激變壓器，結(jié)合電池采樣部分來做電池均衡應(yīng)該是可行的。

3. 對(duì)于上百 AH 的電池組來說，可能采用獨(dú)立的充電模塊會(huì)好一些，因?yàn)樯习?AH 的電池，均衡電流都在10多 A 左右，如果串聯(lián)節(jié)數(shù)再多一些，均衡功率都很大，引線到電池外，采用外部 DC-DC 或 AC-DC 均衡也許更安全。

目前的均衡都是以電池電壓一致作為均衡的結(jié)束條件，但隨著 SOC 計(jì)算越來越準(zhǔn)確，容量一致的均衡應(yīng)該是未來發(fā)展的趨勢(shì)。