本文介紹的高速電池均衡器設(shè)計(jì)，適用于電池組的任何狀態(tài)，不僅限于靜態(tài)均衡，還包括充電期間、放電期間以及充放電后的恢復(fù)期等，只要相鄰電池間的電壓差大于設(shè)備設(shè)定的電壓差精度，均衡器均根據(jù)電壓差大小自動(dòng)調(diào)節(jié)均衡電流，按需均衡，提高均衡效率。

摘要：動(dòng)力電池組的一致性問(wèn)題不僅影響電池組的動(dòng)力輸出和續(xù)航表現(xiàn)，更嚴(yán)重威脅電池組的運(yùn)行安全，現(xiàn)有技術(shù)條件下，公認(rèn)的理想的解決方案就是電池均衡技術(shù)，尤其是高速、高效、實(shí)時(shí)、轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)，其綜合性能的表現(xiàn)最好，特別是在均衡電流、均衡效率以及適應(yīng)性方面。雙向同步整流技術(shù)的引入，使均衡性能又有了質(zhì)的提升，動(dòng)力電池組的安全性、動(dòng)力、續(xù)航能力和循環(huán)使用壽命明顯提高。

關(guān)鍵詞：一致性、電池均衡、雙向同步整流、熱失控

01

動(dòng)力電池組的一致性問(wèn)題

自蓄電池大規(guī)模應(yīng)用以來(lái)，電池組的一致性問(wèn)題一直困擾著廣大用戶和科技人員，一直在積極尋求最佳解決方案和技術(shù)。電池組的一致性問(wèn)題表面上是發(fā)生在電池組本身，但其所帶來(lái)的影響和后果卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了電池組自身，熱別是其“熱失控”風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)力電池組的功率和容量非常大，一旦發(fā)生熱失控，所造成的危害通常非常大，因此防控電池組的一致性問(wèn)題就成了電池組的安全管理問(wèn)題。

雙向同步整流技術(shù)在動(dòng)力電池組高速電池均衡器中的應(yīng)用與實(shí)踐

動(dòng)力電池一致性問(wèn)題亟待解決

通常來(lái)說(shuō)，電池組一致性問(wèn)題的產(chǎn)生原因有很多種，既包括電池組自身原因，與電池的生產(chǎn)工藝和品控有關(guān)，簡(jiǎn)稱稱內(nèi)因；也包括使用期間的外界因素，如溫度、充放電流、充放電壓、充放倍率等等，簡(jiǎn)稱外因。大量檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，外因是導(dǎo)致電池組一致性快速劣化的主要原因。

02

均衡對(duì)一致性問(wèn)題的影響

電池組一致性變化最明顯的參數(shù)是單體電池的電壓和容量，其中最容易測(cè)量的數(shù)據(jù)是電壓，電壓的變化特征實(shí)際上也反映出容量的變化特征。舉個(gè)例子，“落后”電池的容量通常較小，電壓參數(shù)的明顯表現(xiàn)特征是充電時(shí)電壓上升速度最快，放電時(shí)電壓下降速度最快，都明顯大于平均值，波動(dòng)非常大。

而對(duì)于正常電池，無(wú)論是充電期間還是放電期間，電壓表現(xiàn)特征相對(duì)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生劇烈變化。既然外因是導(dǎo)致電池組一致性快速劣化的主要原因，那么我們就需要針對(duì)外因的變化來(lái)適時(shí)調(diào)節(jié)“落后”電池的電壓，使其電壓變化曲線接近于整組電池的平均值，這就是電池均衡，如果能達(dá)到這一目的，那么“落后”電池的工作電壓就會(huì)與正常電池的電壓保持同步變化。

充電時(shí)，電壓上升速度相同；放電時(shí)，電壓下降速度相同。電池均衡的作用就是通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)電池間的電量和不同容量電池具有不同的充放電電流，來(lái)干預(yù)“落后”電池的電壓變化，如果“落后”的電壓與正常電池的電壓始終同步變化，那么電池組在電壓和容量分布上的表現(xiàn)一定是均衡的，這樣的電池組一致性表現(xiàn)一定是良好的。

03

均衡策略的選擇

通過(guò)前面的分析可知，均衡的本質(zhì)是通過(guò)調(diào)節(jié)電量和電流實(shí)現(xiàn)電壓均衡，目的就是防止“落后”電池的電壓過(guò)低和過(guò)高以及過(guò)充電和過(guò)放電，當(dāng)“落后”電池與正常電池的差異不大時(shí)，較小的均衡電流即可滿足需要，當(dāng)“落后”電池與正常電池的差異較大時(shí)，需要的均衡電流也需要同步增大。

由此可見(jiàn)，均衡技術(shù)的一個(gè)非常重要的指標(biāo)就是支持均衡電流的大小或者范圍。現(xiàn)有的電池均衡技術(shù)主要包括三類(lèi)，分別是電阻放電均衡技術(shù)、充電均衡技術(shù)和轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)。其中，電阻放電均衡技術(shù)是一種典型的被動(dòng)均衡技術(shù)，僅適用于充電階段、并且是電池差異很小的電池組，通常只在電池臨近充滿時(shí)才啟動(dòng)。

雙向同步整流技術(shù)在動(dòng)力電池組高速電池均衡器中的應(yīng)用與實(shí)踐

常用的鋰電池均衡保護(hù)板

也有一種是通過(guò)軟件控制技術(shù)提前介入，延長(zhǎng)均衡時(shí)間，加快均衡速度，但這種方案需要解決熱量的有效控制，均衡電流通常都很小，一般為毫安級(jí)，通常在100毫安以內(nèi)，當(dāng)電池組的差異較大時(shí)，這種方案就力不從心、難以支持了，其固有缺陷和最大的軟肋是無(wú)法解決小容量電池的過(guò)放電難題。

充電均衡技術(shù)與電阻放電均衡技術(shù)同屬于充電均衡技術(shù)范疇，優(yōu)勢(shì)是均衡電流較大，通常可以達(dá)到安培級(jí)別，效率也較高，產(chǎn)生的熱量較少，對(duì)電池組的溫升影響比較小，但其固有缺陷和軟肋同樣是無(wú)法解決小容量電池的過(guò)放電難題。

轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)則是較為完善的方案，不僅同時(shí)滿足充電均衡、放電均衡和靜止均衡的需要，而且具有較高的均衡電流和均衡效率，對(duì)于穩(wěn)定電池組運(yùn)行一致性效果顯著，雖然技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度很大，成本也相對(duì)較高，但從電池組對(duì)運(yùn)行安全的關(guān)鍵需求來(lái)看，它有效解決了電池組因?yàn)橐恢滦詥?wèn)題產(chǎn)生的“熱失控”風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患問(wèn)題，是未來(lái)的發(fā)展方向。

04

高速均衡的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

從技術(shù)原理上來(lái)看，轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)能快速完成電池組的電壓平衡，較快實(shí)現(xiàn)電池組的運(yùn)行一致性，但從實(shí)際應(yīng)用和各種比對(duì)試驗(yàn)情況來(lái)看，實(shí)際支持的均衡電流大小和均衡效率的高低直接關(guān)系到均衡速度的快慢和電壓一致性的改善。

對(duì)于常規(guī)串聯(lián)電池組，流經(jīng)每塊電池的電流是相同的，所以充電時(shí)，容量小的電池電壓上升速度快，一定會(huì)先行充滿電，如果沒(méi)有特殊控制，其它電池則無(wú)法充滿電，這種情況下電池組的總電壓一定會(huì)低于充電控制電壓，充電器會(huì)繼續(xù)充電，最終會(huì)導(dǎo)致容量小的電池過(guò)充電而受損，且損傷不可逆。

同樣，放電時(shí)，容量小的電池電壓下降速度快，一定會(huì)先行放完電，如果沒(méi)有特殊控制，其它電池則還有剩余電量沒(méi)有釋放，這種情況下，電池組的總電壓一定會(huì)高于放電截止電壓，電池組會(huì)繼續(xù)放電，最終會(huì)導(dǎo)致容量小的電池過(guò)放電而受損，且損傷不可逆，經(jīng)過(guò)若干個(gè)反復(fù)充放電后，容量小的電池，容量會(huì)加速衰減，最終導(dǎo)致電池組提前報(bào)廢。

因此，均衡器的設(shè)計(jì)必須支持較大的均衡電流才能平衡不同容量電池的電壓差。對(duì)于容量不大的電池組，如幾十安時(shí)以內(nèi)，充放電電流通常都比較小，較小的均衡電流通常即可滿足需要，但對(duì)于大容量電池組，如幾百安時(shí)以上，或者大功率電池組，工作電流通常都比較大，對(duì)均衡電流和均衡速度都提出了更高要求，需要高速均衡才能滿足需要。

這里所述的高速均衡包含兩個(gè)方面的含義：一是較小的電壓差下即可實(shí)現(xiàn)較高的均衡電流，電壓差增大，均衡電流同步增大；二是必須具備較高的電能轉(zhuǎn)換效率，防止均衡設(shè)備產(chǎn)生的熱量影響電池組。

基于這一原則，對(duì)高速均衡器設(shè)計(jì)就提出更高的要求，首先是均衡電流要足夠大，傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)移式均衡設(shè)計(jì)，通常采用二極管進(jìn)行續(xù)流，考慮到電壓降和損耗，多采用壓降較低的肖特基二極管，盡管如此，在大電流時(shí)的損耗仍非常大，不僅設(shè)備溫升大，給電池組帶來(lái)額外的溫升，也為自身的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn)。

可見(jiàn)，對(duì)于高速均衡方案，采用續(xù)流二極管設(shè)計(jì)不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)大均衡電流，也無(wú)法實(shí)現(xiàn)較高的電能轉(zhuǎn)換效率，必須采用全新的換能設(shè)計(jì)方案。我們都知道，在大電流輸出的直流電源中，通常都采用同步整流設(shè)計(jì)方案，利用功率場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通壓降小的特點(diǎn)代替續(xù)流二極管，以獲得高效率下的大電流輸出能力。

因此，如果能將同步整流設(shè)計(jì)思想和技術(shù)移植到電池均衡設(shè)計(jì)中，那么無(wú)論是均衡電流還是轉(zhuǎn)換效率，都將得到跨越式的提高。為此，根據(jù)高速均衡的要求，作者歷時(shí)多年潛心研究，開(kāi)發(fā)出一種獨(dú)特的雙向同步整流專利技術(shù)，分別應(yīng)用于單體2V鉛酸蓄電池組高速均衡器和鋰電池組高速均衡器的設(shè)計(jì)上，連續(xù)最大均衡電流達(dá)到20安培以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)國(guó)內(nèi)已知電池均衡器的均衡電流，并且設(shè)備溫升在滿負(fù)荷下仍處于合理范圍內(nèi)。

大量的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用測(cè)量數(shù)據(jù)表明，無(wú)論是動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度、電壓差控制、還是電能轉(zhuǎn)換效率都完全符合高速均衡的設(shè)計(jì)要求。

05

高速均衡實(shí)驗(yàn)測(cè)試

下面，以單體2V鉛酸蓄電池組高速均衡器在某基站24串單體2V600Ah電池組的靜態(tài)均衡應(yīng)用實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)電池組如圖所示，電池組上的附加裝置為2V鉛酸蓄電池專用均衡器樣機(jī)，設(shè)計(jì)連續(xù)最大均衡電流10-12安培，短時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到20安培以上。

接入電池均衡器前，最大電壓差接近0.14V，一致性較差，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)30毫伏電壓差的行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，接入均衡器樣機(jī)后，在強(qiáng)大的均衡電流作用下，電壓差立刻開(kāi)始縮小，電壓一致性迅速得到改善，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，最大電壓差進(jìn)一步縮小，均衡電流也逐漸降低，24小時(shí)后的測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，最大電壓差只有10毫伏，已經(jīng)優(yōu)于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，電壓一致性問(wèn)題消除，具體測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)附表。

實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，浮充狀態(tài)下的電池組，9#電池的電壓最高，高于平均電壓79mv，20#電池的電壓最低，低于平均電壓60mv，隨著均衡器的介入，所有電池的電壓都迅速向著平均電壓靠近，其中9#和20#電池的電壓變化率最大，這是因?yàn)?#和20#電池與相鄰電池的電壓差較大，均衡電流較大，對(duì)電荷、電量的調(diào)整速度塊的緣故。

本文介紹的高速電池均衡器設(shè)計(jì)，適用于電池組的任何狀態(tài)，不僅限于靜態(tài)均衡，還包括充電期間、放電期間以及充放電后的恢復(fù)期等，只要相鄰電池間的電壓差大于設(shè)備設(shè)定的電壓差精度，均衡器均根據(jù)電壓差大小自動(dòng)調(diào)節(jié)均衡電流，按需均衡，提高均衡效率。限于篇幅，這種專用高速電池均衡器在本電池組上的充放電均衡數(shù)據(jù)略。

雙向同步整流技術(shù)在動(dòng)力電池組高速電池均衡器中的應(yīng)用與實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)電池組

雙向同步整流技術(shù)在動(dòng)力電池組高速電池均衡器中的應(yīng)用與實(shí)踐

實(shí)驗(yàn)電池組靜態(tài)均衡電壓情況表

06

高速均衡的意義與展望

動(dòng)力電池組的作用不言而喻，長(zhǎng)期以來(lái)，實(shí)現(xiàn)其安全、高效運(yùn)行管理一直是人們的關(guān)注重點(diǎn)，對(duì)于動(dòng)力電池組，電池組運(yùn)行安不安全，電池組的安全放電時(shí)間或者續(xù)航是否穩(wěn)定一直是人們最關(guān)注的重點(diǎn)。

電池組運(yùn)行的最大風(fēng)險(xiǎn)是熱失控，熱失控、安全放電時(shí)間以及續(xù)航是否穩(wěn)定都與電池組的一致性好壞直接關(guān)聯(lián)，由此可見(jiàn)，一致性問(wèn)題管理是電池組管理的難點(diǎn)和關(guān)鍵所在。本文所述高速電池均衡器的功能設(shè)計(jì)目的就是解決電池組的一致性問(wèn)題。

未來(lái)，隨著動(dòng)力電池組應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，特別是退役電池在大功率、大容量?jī)?chǔ)能、基站等的規(guī)模梯次利用，一致性問(wèn)題將會(huì)進(jìn)一步凸顯出來(lái)，安全問(wèn)題再次擺在人們的面前，特別是梯次電池利用的一致性問(wèn)題而引發(fā)的安全問(wèn)題將會(huì)更加突出，迫切需要從自動(dòng)控制技術(shù)上予以解決。高速電池均衡技術(shù)的突破和研制成功必將為電池組的安全運(yùn)行管理帶來(lái)全新的理念和曙光。

參考文獻(xiàn)：

周寶林、周全：一種具有雙向同步整流功能的轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡器

周寶林、周全：轉(zhuǎn)移式電池均衡技術(shù)對(duì)電池電壓與荷電量影響的研究

周寶林、周全：轉(zhuǎn)移式實(shí)時(shí)電池均衡技術(shù)對(duì)衰減電池組容量和溫升的影響