常見的電池均衡電路介紹

在由蓄電池作為儲(chǔ)能單元的系統(tǒng)中，由于蓄電池單體往往容量比較低，不能夠滿足大容量系統(tǒng)的要求，因此需要將蓄電池單體串聯(lián)，形成蓄電池組以提高供電電壓和存儲(chǔ)容量，例如在電動(dòng)汽車、微電網(wǎng)系統(tǒng)等領(lǐng)域大多需要蓄電池串聯(lián)。由于蓄電池單體自身制作工藝等原因，不同單體之間諸如電解液密度、電極等效電阻等都存在著差異，這些差異導(dǎo)致即便串聯(lián)蓄電池組每個(gè)單體的充放電電流相同，也會(huì)使每個(gè)單體的容量產(chǎn)生不同，進(jìn)而影響整個(gè)蓄電池組的工作。最壞的情況，在一個(gè)蓄電池組中，有一個(gè)單體的剩余容量接近為100%,另一個(gè)單體的剩余容量為0,則這個(gè)蓄電池組既不能充電也不能放電，完全不能使用。因此對(duì)蓄電池容量的均衡是非常重要的，尤其是在大量蓄電池單體串聯(lián)的情況。

常用的均衡電路分為主動(dòng)和被動(dòng)均衡，我們通常把能量消耗型均衡叫做被動(dòng)均衡，而把其他均衡稱為主動(dòng)均衡，下面詳細(xì)介紹。

電阻消耗均衡法-被動(dòng)均衡法

電阻消耗均衡法是通過與電池單體連接的電阻，將高于其他單體的能量釋放，以達(dá)到各單體的均衡，如圖1 所示。每個(gè)蓄電池單體通過一個(gè)三極管與一個(gè)電阻連接，通過控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)蓄電池單體對(duì)電阻的放電。該種結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，放電速度快，可多個(gè)單體同時(shí)放電。但缺點(diǎn)也很明顯，能量消耗大，只能對(duì)單體進(jìn)行放電不能充電，而且其他蓄電池單體要以最低的單體為標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)均衡，效率低。

電阻消耗均衡法結(jié)構(gòu)圖

主動(dòng)均衡的具體實(shí)施方案有很多種，從理念上可以再分成削高填低型和并聯(lián)均衡型兩大類。通常被質(zhì)疑主動(dòng)均衡影響電池壽命的，特指削高填低這類主動(dòng)均衡。匯總幾種典型主動(dòng)均衡電路在下面。

削高填低，就是把已經(jīng)電壓高的電芯的能量轉(zhuǎn)移一部分出來，給電壓低的電芯，從而推遲最低單體電壓觸及放電。截止閾值和最高單體電壓觸及充電終止閾值的時(shí)間，獲得系統(tǒng)提升充入電量和放出電量的效果。

但是在這個(gè)過程中，高電壓?jiǎn)误w和低電壓?jiǎn)误w都額外的進(jìn)行了充放。我們都知道，電池的壽命被稱為“循環(huán)壽命”，僅僅就這顆電芯來說，額外的充放負(fù)擔(dān)會(huì)帶來壽命的消耗是一個(gè)確定的事，但對(duì)電池包系統(tǒng)而言，總體上是延長(zhǎng)了系統(tǒng)壽命還是降低了系統(tǒng)壽命，目前還沒有看到明確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)予以證明。

削高填低的均衡，包括電容式均衡，電感式均衡，變壓器式均衡，此三種均衡方式包括充電過程中的均衡以及靜置過程的均衡。

另外還有一種主動(dòng)均衡，叫做并聯(lián)式均衡，它只在充電過程中發(fā)揮作用。也有人認(rèn)為應(yīng)該在車輛運(yùn)行中，和放電過程的末尾加入均衡，但一般認(rèn)為系統(tǒng)電流值的波動(dòng)比較大，如果依然以單體電壓為依據(jù)進(jìn)行均衡，則很可能出現(xiàn)誤判，影響均衡效果。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，能夠通過其他手段直接對(duì)SOC進(jìn)行準(zhǔn)確的推算，則根據(jù)SOC進(jìn)行的均衡，將不會(huì)再受到這個(gè)問題的困擾。

電容式均衡

設(shè) B1，B3 電池單體分別為組內(nèi)電壓最高、最低單體。圖中所有開關(guān)管為常開，當(dāng)均衡器發(fā)出均衡指令時(shí)，功率開關(guān)管 S1、Q2 閉合，此時(shí)單體電池 B1 給電容充電，控制功率開關(guān)管的占空比控制充電功率和時(shí)間，充電結(jié)束后，開關(guān)管 S3、Q4 閉合，電容給單體電池 B3 充電，此時(shí)電池組內(nèi)不均衡度降低，均衡結(jié)束。

電感式均衡

充電過程中，開關(guān)管 S 閉合，充電機(jī)給電池組充電。此時(shí)電池組右側(cè)開關(guān)管全部斷開，均衡系統(tǒng)不開啟。設(shè)單體電池B1 電壓開始明顯高于其他電池并達(dá)到均衡閾值時(shí)，此時(shí)均衡系統(tǒng)開啟，S1、Q2開關(guān)管閉合，電感與單體電池 B1 并聯(lián)，起到分流的作用，電感儲(chǔ)存來自充電機(jī)與電池 B1 的能量；當(dāng) S1、Q2 開關(guān)管置 0，Q3、S4 開關(guān)管置 1 時(shí)，電感給充電過程的單體電池 B3 釋放一定能量。

靜置過程中，開關(guān)管 S 斷開，當(dāng)單體電池 B1 電壓高于其他電池并達(dá)到均衡閾值時(shí)，均衡系統(tǒng)開啟，S1、Q2 開關(guān)管閉合，電感與單體電池 B1 并聯(lián)，電感吸收 B1 能量；當(dāng) S1、Q2 開關(guān)管斷開，Q3、S4 開關(guān)管閉合時(shí)，電感給單體電池 B3釋放電量。

變壓器式均衡

基于反激式均衡變壓器進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)，即變壓器既作為吸收能量源又作為釋放能量源，吸收與釋放能量的轉(zhuǎn)換在于能量在磁能與電能之間的轉(zhuǎn)換。

同樣，設(shè)單體電池 B1 電壓最高，將 S1、Q2 置 1，其他開關(guān)管置 0，此時(shí)變壓器作為吸收能量源，能量由 B1 電池給的電能轉(zhuǎn)換為磁能；S1、Q2 置 0，Q1、S2 置 1，能量由初級(jí)繞組傳遞給次級(jí)繞組，能量釋放給單體電池 B3，能量由磁能重新轉(zhuǎn)換為電能。

并聯(lián)均衡

理想的均衡方式是所有電池能量及端電壓相同，并聯(lián)電池組內(nèi)單體電池電壓始終相等，因?yàn)楹瓦B通器原理一樣，兩邊水柱永遠(yuǎn)水平，并聯(lián)電池也先天性的單體電壓高的自發(fā)給單體電壓低的電池充電。但串聯(lián)電池組內(nèi)想要應(yīng)用此原理，就需要稍微改變?cè)姵亟M拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

并聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每節(jié)單體電池都有一個(gè)單刀雙擲的開關(guān)繼電器，所以 n 節(jié)串聯(lián)電池組內(nèi)需要 n+1 個(gè)繼電器。

控制原理如下：設(shè)電池組內(nèi) B4 電壓最高，B2 電壓最低，控制繼電器 S5、S3、Q4、Q2 閉合，此時(shí)兩節(jié)單體電池并聯(lián)，兩單體電池自動(dòng)均衡，電壓趨于一致。該拓?fù)涞娜秉c(diǎn)是充電過程中不能進(jìn)行均衡，只能靜置去極化時(shí)候進(jìn)行并聯(lián)均衡。

并聯(lián)均衡，總體上就是在充電過程中，分流充電電流，給電壓低的電芯多充電，而電壓高的少充電。于是，不必出現(xiàn)“劫富濟(jì)貧”的過程，避免了最高和最低電壓電芯的額外充放電負(fù)擔(dān)，也就不用懷疑均衡過程對(duì)個(gè)別電芯壽命的影響拖累系統(tǒng)壽命的問題。

模組之間的均衡

這種形式在實(shí)際應(yīng)用中很少見，但芯片供應(yīng)商提供的方案藍(lán)本中已經(jīng)出現(xiàn)了相鄰模組可以相互均衡的功能。一種原理圖如下。

幾種均衡方式的比較

主動(dòng)均衡的選擇

業(yè)內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)大致如下：

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)樯习貯H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。

作者：政飛科技 轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來源


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