鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年08月28日
鋰離子電池均衡電路的工作原理分析
新能源和電動汽車的發展，都會用到能量密度比較高的鋰離子電池。而鋰離子電池串聯使用過程中，為了保證電池電壓的一致性，必然會用到電壓均衡電路。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，希望對大家有所幫助。
最簡單的均衡電路就是負載消耗型均衡，也就是在每節電池上并聯一個電阻，串聯一個開關做控制。當某節電池電壓過高時，打開開關，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，通過這種方式來實現電池電壓的均衡。
但這種方式只能適用于小容量電池，關于大容量電池來說是不現實的。
負載消耗性均衡的示意圖
第二種均衡方法我沒有實驗過，就是飛渡電容法。簡單的說就是每一節電池并聯一個電容，通過開關這個電容既可以并聯到本身這節電池上，也可以并聯到相鄰的電池。
當某節電池電壓過高，首先將電容與電池并聯，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。實現能量的轉移。
由于電容并不消耗能量，所以可以實現能量的無損轉移。但這種方式太繁瑣了，現在的動力鋰電池動不動幾十節串聯，要是采用這種方式，要很多開關來控制。
飛渡電容法工作原理圖，只是畫出相鄰兩節電池的均衡原理圖
第一次做均衡，是做的一款動力鋰電池組的充電，電池容量80ah的兩組并聯，要求均衡電流為10a。原來了解的一點均衡的原理根本不夠用，這么大電流都相當于一個一個的小模塊了，最后還真的是采用n個小模塊串聯，每節電池并聯一個小模塊，假如單體電池電壓低于設定值，啟動相應的并聯模塊，對低電壓電池啟動充電，補充能量提升電壓，實現均衡。
下圖為當時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，也可以是別的模塊供應的直流輸入，根據要靈活配置。
主動均衡方法可以采用我前面提到的一個變壓器多路輸出的方法。
假如你想利用下面的電路示意圖，做一個多路輸出的反激電源，利用各個模塊的輸出電壓來對電池實現均衡，我估計你要很深的功力才可以，因為單單交叉調整率這一項就很難。但是，利用這個電路，我們可以換一下思路，各路輸出不要穩壓，當然為了防止開路損壞輸出電容，我們可以做一個簡單的原邊反饋。然后在每路輸出到電池之間串聯一個電子開關，由于這種均衡是配合電池管理系統一起工作的，因此每路輸出只要串聯一個電子開關，由管理單元控制即可，哪路電壓地我們就可以打開這個電子開關，有電源輸出給該節電池充電，直到所有單體電池電壓達到我們的期望值。
采用這種均衡方法，曾經做過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到5mV以內。
多繞組變壓器法結構圖
主動均衡也可以采用能量轉移的方法。所謂能量轉移，既可以是從整組電壓取能量向低電壓補充，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中用過第二種方式實現過電池均衡。電路原理圖如下：
當時做的是16串鋰離子電池的均衡，分成了兩組，每組8只電池串聯，這里只畫了6只描述工作原理。
假如電池B5電壓過高，控制Q5以pWM模式工作，當Q5開通，電感L5儲能；當Q5關閉，電感儲存的能量就會通過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候的工作過程。
在試驗過程中，兩組之間各自采用這種方式均衡。當兩組之間出現偏差的時候，就可以采用雙向DC-DC進行能量轉換了，這樣采用的模塊數量較少，設計比較方便。
我當時沒有采用雙向DC-DC，而是簡單的采用能量消耗性做兩組之間電池的均衡。從最終的試驗效果來看，電池均衡還是比較不錯的。
在均衡過程中，假如對每節電池供應一路充電模塊感覺屬于殺雞用牛刀，能量消耗型有達不到技術要求，也就是要主動均衡，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，隨著動力鋰電池的應用發展，不僅均衡，電池過充過放的保護，也就是我們常說的保護板的應用也會越來越廣闊。我們了解原來的18650電芯，十幾串的保護板用ic很常見，實現短路、過充保護、過放保護。但假如是幾十串的電芯呢，不了解有沒有接觸過這方面資料的網友，可以一起交流下。
這就是截止目前為止，我試驗過的四種電池均衡的方式，均衡的電池從2AH到1000AH，串聯的節數從7串到120串。
個人感覺如下：
1.關于10AH以內的電池組，采用能量消耗型可能是比較好的選擇，控制簡單。
2.關于幾十AH的電池組來說，采用一拖多的反激變壓器，結合電池采樣部分來做電池均衡應該是可行的。
3.關于上百AH的電池組來說，可能采用獨立的充電模塊會好一些，因為上百AH的電池，均衡電流都在10多A左右，假如串聯節數再多一些，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束條件，但隨著SOC計算越來越準確，容量一致的均衡應該是未來發展的趨勢。
