一种单电容单层的削峰填谷式锂电池均衡电路

严利民，郭家富

（ 上海大学 微电子研究与开发中心，上海 200444 ）

0 引言

锂电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应和无环境污染等优点，广泛应用于电动汽车、移动通讯设备、医疗设备、军用设备、航空航天电源、电动工具等领域中。但是锂电池组由于其电池固有的化学特性和电特性，每个锂电池单元的充放电速率和自放电率都不同，在数个充放电周期后差异越来越大，存在安全隐患，严重的还会发生爆炸。为了校正电池组内部各电池单元的差异和保护电池组的用电安全，有必要对电池的端电压、工作电流以及电池温度等状态进行实时监测，防止因单体电池失效而影响整个电池组性能，从而延长电池使用寿命、提高电池使用效率。因此，锂电池均衡系统是锂电池组在使用过程中必不可少的组成部分。

本文介绍一种削峰填谷式锂电池均衡系统，该系统采用了单电容单层均衡结构。经实验验证，表明这套锂电池均衡系统可以利用较低的器件成本，实现削峰填谷式均衡，实现能量利用最大化。

1 原理与方案

目前，对于锂电池均衡管理系统已经有较多的研究方案[1-7]，主要分为被动均衡[8]和主动均衡[2-4，6]。

主动均衡方案是利用储能元件实现高能量的锂电池向低能量的锂电池进行能量转移，从而提高整个锂电池组整体的能量利用率，保证锂电池组内部单体锂电池充放电的一致性和安全性，是广受好评的均衡方案。

按照元器件分，现有的主动均衡方法有：双向DC-DC变流器法[5]、开关电感法[2]、开关电容法[3]等。其中，开关电容法控制简单，可实现无损均衡，但均衡速度慢；开关电感法控制简单，均衡电流可控，但能量仅在相邻电池间传递；双向DC-DC变流器法可同时对所有电池单体进行充放电，控制灵活，均衡时间短，但均衡效率较低，需要耗费较长时间，成本较高。

锂电池组均衡技术按照实现的均衡方式分，主要为三大类：填谷式均衡、削峰式均衡以及削峰填谷式均衡。填谷式均衡即利用储能元件将整个锂电池组的电量转移给能量最低的锂电池；削峰式均衡即利用储能元件将能量从高的锂电池上转移到整个锂电池组，达到电量均衡；削峰填谷式均衡综合了前两种均衡方法的优点，将高电量的锂电池电量通过储能元件直接转移到低电量锂电池，是电池组内部单体锂电池的一对一均衡，从而实现整个锂电池组内部的电量一致性。

实现削峰填谷式均衡，存在以下难点：①削峰填谷式均衡对采样电路的要求较高，需要对各节锂电池的端电压进行采样；②经过对比，判断出哪节是峰电压电池，哪节是谷电压电池；③需要对不同位置的峰谷电压电池做出控制信号的发送，实现峰电压电池的电量向谷电压电池电量的一对一转移。

综上所述，本文采用了单电容单层的削峰填谷式锂电池均衡电路。

2 单电容单层均衡结构

本文使用了一种控制较为简单的单电容均衡结构，如图1所示，这种均衡结构将锂电池摆放在电路的中间，每个单体锂电池两端都串联一个开关器件并且与电容并联。均衡4节单体锂电池，均衡结构仅需8个开关器件，每个单体锂电池两端的一对开关器件同时控制。因此，改进后的单电容均衡结构控制简单，使用开关器件更少且达到较好的均衡效果。同样，根据这种结构的分析发现，若利用该结构对n节电池进行均衡，则所需的开关数量为2×n个。

在实际电路搭建过程中，开关以一个光电开关驱动两个互补对称的MOSFET来实现，对光电开关输入高电平时，驱动的两个MOSFET导通，即开关闭合；对光电开关输入低电平时，驱动的两个MOSFET截止，即开关断开。在运用OrCAD仿真软件对单电容单层均衡结构进行仿真时发现，该均衡结构可以省略部分MOSFET而同样实现相应电路的通断，达到理想的均衡效果。图2为省略部分MOSFET之后搭建的单电容单层均衡结构的OrCAD仿真结构图。

众所周知，每个MOSFET的工作原理是由于其内部有寄生二极管的存在，以寄生二极管来实现开关功能，所以为了更加方便、直观，在OrCAD仿真软件中直接用二极管来等效实际单电容均衡结构中的MOSFET。

在对单电容单层法的仿真结构进行仿真的过程中发现，连接两端电池四条支路上的MOSFET均可以省略一个，因为确定最底端的锂电池接地，所以锂电池串联之后的电势将随着锂电池串联数量而逐渐抬高，那么连接最底端的锂电池和最高的锂电池的四个开关通路也确定，由于二极管的反向截止特性，故可省略上述四条通路的MOSFET数量；而其他连接中间锂电池通路上的MOSFET均无法省略。单电容均衡波形如图3所示，图中可见，均衡5节锂电池，单电容均衡法所需MOSFET数量为16个，控制信号为5个。由此可见，在器件成本上单电容单层均衡结构较低，控制也较简单，是一个可以选择的均衡方案。

3 实验

3.1 充电均衡

本实验采用恒流充电，对初始状态不均衡的锂电池组进行充电均衡，需知充电电流大小，由于本实验研究的均衡将用于家庭、办公的储能设备能源墙上，根据国家规定的峰谷电的划分，谷电时间是夜间22点至清晨8点，共计10h。实验采用的INR18650锂电池容量为1500mAh，同时保证大于10%的余量，故用165mA电流进行充电，充电截止电压为4．2V。

充电均衡电池组电压曲线如图4所示，均衡充电初始状态、结束状态见表1。从表1中可知，电池组充电初始状态电压极差为861mV，充电结束后电压极差为8mV，电池组从不均衡状态进入均衡状态约需150min。

3.2 放电均衡

对初始状态不均衡的电池组进行放电均衡，实验采用恒流放电，同理，根据国家规定的峰谷电的划分，峰电的时间是早晨8点至夜间22点，共计14h。实验采用的INR18650锂电池容量为1500mAh，同时保证大于10%的余量，故用95mA电流进行放电，放电截止电压为2．7V。

放电均衡电池组电压曲线如图5所示，放电均衡初始状态、结束状态见表1。从表1中可以看出，电池组放电初始状态电压极差为397mV，放电结束后电压极差为8mV。

3.3 静态均衡

对初始状态不均衡的电池组进行静态均衡实现，静态均衡曲线如图6所示。静态均衡初始状态、结束状态电池组各电池单元电压值见表1。从图6中可以看出，电池组静态均衡初始状态电压极差为986mV，静态均衡结束后电压极差为9mV，静态均衡时间约为270min。

同时，为了实际验证本文设计的削峰填谷式锂电池均衡系统的均衡效果，还对此均衡系统分别在锂电池处于静置、充电、放电三种状态下的均衡数据与其他利用电容组成的锂电池均衡系统[9-10]进行比较，实验数据见表2。表2可见本文设计的均衡系统不论处于何种状态都优于另外两种均衡系统，而文献[10]所述的均衡系统与本文的均衡系统实际均衡时间相近，但其控制相较本文设计的均衡系统更复杂。

综上所述，根据对本文所设计的削峰填谷式锂电池均衡系统的实验与测试数据显示发现，此系统可以完全在保证用电安全，避免欠压、欠流、过流、过放的前提下，实现锂电池组内部削峰填谷均衡的功能，最大程度地合理利用整个锂电池组的能量，且均衡速度足够快。

表1 充电、放电、静态均衡初始、结束状态电池单元电压

表2 多种均衡系统的比较数据

4 结语

本文主要阐述了一种削峰填谷式主动均衡方案，以及在均衡模块上的研究。选择单电容单层的均衡结构来完成均衡模块的构建，为了节约器件成本，将连接同一节锂电池的两组双向MOS管光电开关串联起来用同一个控制信号来驱动，实现开关的成对控制，保证电路的实时性与简洁性；同时对搭建完成的均衡电路板进行了测试，可以实现较好的削峰填谷式均衡。