關鍵詞：主動 均衡 特性

1、主動均衡技術的優缺點

基于主動均衡技術鋰動力電池組，無論鋰動力電池組在充電、放電還是放置過程中，都可在鋰動力電池組內部對于鋰動力電池單體之間的差異性進行主動均衡，以消除鋰動力電池成組后由于自身和使用過程中產生的各種不一致性。

鋰動力電池利用能量轉移裝置將高能量鋰動力電池單體的電量補充到低能量鋰動力電池單體中，其實質是運用鋰動力電池組內鋰動力電池能量可單/雙向轉移的手段，在鋰動力電池組內進行能量轉換，以達到改善鋰動力電池組內各鋰動力電池單體差異性的目的。

主動均衡法的優點：

1）主動均衡電路均衡效率高。

2）充電、放電和靜態過程中都做均衡。

3）平衡電流大，均衡速度較快。

主動均衡法的缺點：

1）技術復雜，成本高，實現困難。

2）因需頻繁切換均衡電路，對鋰動力電池造成的傷害大，影響鋰動力電池的壽命。

2、主動均衡實施方案

主動均衡基于能量傳遞分配的原則，實現了能量主動分配效果，因而能量利用率相比被動均衡高。但其只能在相鄰的兩節鋰動力電池單體之間轉移能量，結構相對來說較為復雜，基于變壓器的設計以及開關矩陣的設計無疑會使成本增加明顯。主動均衡的具體實施方案有很多種，從理念上可以再分成削高填低型和并聯均衡型兩大類：

（1）削高填低型

削高填低型的實施方案包括：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鋰動力電池在充電過程中的均衡以及靜置過程的均衡。

削高填低就是把電壓高的鋰動力電池單體的能量轉移一部分出來，給電壓低的鋰動力電池單體，從而推遲最低鋰動力電池單體電壓觸及放電截止閾值和最高鋰動力電池單體電壓觸及充電終止閾值的時間，獲得系統提升充入電量和放出電量的效果。

但是在這個過程中，高電壓鋰動力電池單體和低電壓鋰動力電池單體都額外的進行了充放。對鋰動力電池單體而言，額外的充放負擔會帶來壽命的消耗，但對鋰動力電池組而言，總體上是延長了鋰動力電池組壽命還是降低了鋰動力電池組壽命，目前還沒有看到明確的實驗數據予以證明。

（2）并聯均衡型

并聯均衡型是在鋰動力電池充電過程中，分流充電電流，給電壓低的鋰動力電池單體多充電，而電壓高的鋰動力電池單體少充電。不出現“削高填低”的過程，避免了最高和最低電壓鋰動力電池單體的額外充放電負擔，而影響鋰動力電池單體及整個鋰動力電池組的壽命。

理想的均衡方式是所有鋰動力電池單體能量及端電壓相同，并聯鋰動力電池組內鋰動力電池單體電壓始終相等。在并聯的鋰動力電池組中，電壓高的鋰動力電池單體自發給電壓低的鋰動力電池單體充電。但串聯鋰動力電池組內想要應用此原理，就需要改變原鋰動力電池組拓撲結構。

并聯均衡拓撲結構如圖1所示，每節鋰動力電池單體都有一個單刀雙擲的開關繼電器，所以n節串聯電池組內需要n+1個繼電器。并聯均衡控制原理如下：設鋰動力電池組內B4電壓最高，B2電壓最低，控制繼電器S5、S3、Q4、Q2閉合，此時兩節鋰動力電池單體并聯，兩鋰動力電池單體自動均衡，電壓趨于一致。該拓撲的缺點是在鋰動力電池充電過程中不能進行均衡，只能在靜置時進行并聯均衡。

3、基于開關電容的均衡電路特性

在每一節鋰動力電池并聯一個電容，通過開關這個電容既可以并聯到這節鋰動力電池單體上，也可以并聯到相鄰鋰動力電池單體。當某節鋰動力電池電壓過高，首先將電容與鋰動力電池并聯，電容電壓與鋰動力電池一致，然后將電容切換到相鄰的鋰動力電池，電容給鋰動力電池放電。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。

基于電容的均衡電路一般有三種方式，多電容均衡，單電容均衡和雙層電容均衡。多電容均衡和單電容均衡原理類似，區別在于多電容電路中的電容只在鄰近的兩只鋰動力電池單體之間切換，而單電容均衡是用開關的不同通斷組合，使得電容可以并聯在任意一只電芯的兩端。

將一只電容并聯在高能量鋰動力電池單體的兩端，部分能量以充電的形式轉移到電容上，待到鋰動力電池單體與電容電壓平衡，開關斷開，并將電容轉接到低能量鋰動力電池單體的兩端，待到鋰動力電池單體與電容電壓平衡，再重復剛才的過程。

鋰動力電池單體自身具有內阻，給鋰動力電池單體充電的電源電勢必須略高于鋰動力電池單體的端電勢。經過幾次轉移，電容最后與低能量鋰動力電池單體并聯時，其壓差不能再給鋰動力電池單體充電，此時均衡過程宣告結束。

雙層電容均衡是在多電容的基礎上增加一只并聯在整個串聯鋰動力電池組兩端的電容，使得一串鋰動力電池的第一節和最后一節的能量轉移成為可能，以提高了均衡效率。

基于開關電容均衡的示意圖如圖2所示，設圖2中鋰動力電池1、鋰動力電池3分別為組內電壓最高、最低的鋰動力電池單體。在圖2中所有開關管為常開，當均衡器發出均衡指令時，功率開關管S1(參數|圖片)、Q2閉合，此時鋰動力電池1給電容充電，控制功率開關管的占空比可控制充電功率和時間，充電結束后，開關管S3、Q4閉合，電容給鋰動力電池3充電，此時鋰動力電池組內不均衡度降低，均衡結束。

開關電容均衡充電原理如圖3所示，從圖3中可以看出，順序開關驅動電路主要由時鐘電路構成，它驅動多路開關順序閉合，順序把鋰離子鋰動力電池單體接入電容器，通過傳送鋰動力電池單體之間的不平衡能量，達到均衡充電的目的。同時，通過測量電容器上的電壓來監測各個鋰動力電池單體的電壓。

若某個鋰動力電池單體發生短路故障，低電壓比較器輸出開關禁止信號，禁止短路的鋰動力電池單體接入電容器，防止影響其他鋰動力電池單體正常工作，同時給恒流恒壓變換器送入鋰動力電池低電壓報警信號，使恒流恒壓變換器根據鋰動力電池單體短路的情況確定正確的恒定電壓。

基于電容均衡的電路，在電路失效的時候不會造成鋰動力電池的過放，電容均衡電路的最大優點是能源浪費極低，缺點是電路復雜，多路開關的通態電阻、高共模限制都會影響均衡充電的實現，電壓壓差越小均衡效率越低，可靠性無法保證。另一方面，參數選取比較困難，針對不同的電源系統配置，電路參數需詳細的設計與驗證，這對研制周期是不利的。

4、基于變壓器的均衡電路特性

鋰動力電池主動均衡需要一個用于轉移能量的存儲元件，假如用電容來做存儲元件，將其與所有鋰動力電池單元相連就需要龐大的開關陣列。有效的方式是將能量存儲在一個磁場中，存儲元件是一個變壓器。其作用是在鋰動力電池單體之間轉移能量。

基于變壓器的均衡電路示意圖如圖4所示，在圖4所示電路中，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換在于能量在磁能與電能之間的轉換。設鋰動力電池1電壓最高，將S1、Q2置1，其他開關管置0，此時變壓器作為吸收能量源，將鋰動力電池1的電能轉換為磁能；S1、Q2置0，Q1、S2置1，能量由初級繞組傳遞給次級繞組，能量釋放給鋰動力電池3，能量由磁能轉換為電能。

變壓器將能量存儲在磁場中，其鐵氧體磁心中的氣隙增大了磁阻，還可以避免磁心材料出現磁飽和。變壓器兩側的初級線圈與整個鋰動力電池組相連，次級線圈與每個鋰動力電池單體相連。

由于變壓器可以雙向工作，因此可以根據情況采取兩種不同的平衡方法。在對所有鋰動力電池單體進行電壓掃描之后，計算平均值，然后檢查電壓偏離平均值最大的鋰動力電池單體。如果其電壓低于平均值，就采用底部平衡法(bottom-balancing)，如果其電壓高于平均值，就采用頂部平衡法(top-balancing)。

（1）底部均衡法

鋰動力電池底部均衡原理如圖5所示，若掃描發現鋰動力電池單體2是電壓最低的鋰動力電池單體，必需對其進行均衡。此時閉合主開關(“prim”)，鋰動力電池組開始對變壓器充電。主開關斷開后，變壓器存儲的能量就可以轉移至選定的鋰動力電池單體。相應的次級(“sec”)開關（在本例中是開關sec2）閉合后，就開始能量轉移。

每個周期均包含兩個主動脈沖和一個暫停，在本例中，40毫秒周期的轉換頻率為25kHz。在設計變壓器時，其工作頻段應在20kHz以上，以避免出現人類聽覺頻率范圍內可感知的嘯叫噪音，這種聲音是由變壓器鐵氧體磁心的磁致伸縮導致的。

當某個鋰動力電池單體的電壓已經達到SoC的下限時，底部均衡法可以延長整個鋰動力電池組的工作時間。只要鋰動力電池組供應的電流低于平均均衡電流，鋰動力電池組就能繼續工作，直到最后鋰動力電池組能量被耗盡。

（2）頂部均衡法

假如某個鋰動力電池單體的電壓高于其他鋰動力電池單體，那就需要將電壓高的鋰動力電池單體中的能量導出，均衡之后則可以保持所有鋰動力電池單體的電壓相等而避免發生過早停止充電。鋰動力電池頂部均衡電路如圖6所示，在電壓掃描之后，發現鋰動力電池單體5是整個電路鋰動力電池組中電壓最高的鋰動力電池單體。此時閉合開關5，電流從電路鋰動力電池流向變壓器。

因為自感的存在，電流隨時間線性增大。因自感是變壓器的一個固有特征，因此開關的導通時間決定了能夠達到的最大電流值。鋰動力電池單體中轉移出的能量以磁場的形式獲得存儲。在開關sec5斷開后，必需閉合主開關。此時，變壓器就從儲能模式進入了能量輸出模式，能量通過初級線圈送入整個鋰動力電池組。

頂部均衡法中的電流和時序條件與底部均衡法非常類似，只是順序和電流方向與底部均衡法相反。為了治理每個鋰動力電池單體的充電狀況，必需測量它們各自的電壓。在電壓掃描模式中沒有使用變壓器的回掃模式。當S1到Sn這些開關中有一個閉合時，與其相連的鋰動力電池單體的電壓就轉換到變壓器的所有繞組中。

在經由一個離散濾波器的簡單預處理之后，被測信號就被送入微節制器的ADC輸入端口。開關S1到Sn中的某個開封閉合時所產生的測量脈沖持續時間可能異常短，實際導通時間為4μs。

因此，通過這個脈沖存儲至變壓器中的能量很少。而且在開關斷開之后，存儲在磁場中的能量都會通過初級晶體管流回整個鋰動力電池組。因此鋰動力電池組的能量多少并不受影響。在對所有鋰動力電池單體進行完一個周期的掃描之后，系統又回到初始狀況。

 

 

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