串联锂离子电池组的均衡详细介绍

串联锂离子电池组的均衡详细介绍

作为为电动汽车提供动力的大功率锂电池组，为了保证整个电池组的容量，对电池进行均衡管理是必要的。

市场上各种各样的电池管理IC都提供了电压均衡管理功能，用户只需外接部分元器件就可以实现。但是遗憾的是，大多数电池管理IC采用的都是用电阻分流/耗电的方式来实现各个电池间的平衡。这种方式在小功率的电池组，比如笔记本，手持设备，或者电动自行车用电池都是可以接受的。但是对于上百安时的电池，将电量白白消耗掉实在是浪费，而且对于宣传“环保/节能”的电动汽车来讲，多少也有点说不过去。

实际上，在铅酸电池时代，对于电池组的均衡已经出现了各种各样的方式。下面主要是针对锂电池组，介绍几种可行的均衡方式。

1，电阻分流/耗能/bleeding/shutting

这种方式是市面上最常见，也是最简单的方式。在09年的电动自行车展上展出的锂电池组用的保护板，也包括电动汽车用的保护板，它们的均衡方式都是用电阻实现的。原因也很简单：容易实现，没有更好的办法。其实也是成本最低的方式。

电路原理如下图：



原理非常简单，控制器会实时监测各节电池的电压，如果发现某一节电压过高，并且达到了均衡开启的条件，该电池对应的开关就会打开，这时该电池对应的电阻上就会有电流流过。如果当时是在充电，那么流过电池的电流就会减少，该电池充电速度减慢，最终跟其它电池的电压相同；如果当时是在放电或者闲置，那么该电池的电量会在对应的电阻上消耗掉，最终电压下降，达到与其它电池相同的水平。

当然了，均衡条件可以自己设定，也可以设定只在充电时执行均衡功能。

这种方法最大的优点是：成本低，结构简单，容易实现。对于没有研发能力的小公司，这也是现存唯一的方式。而缺点也是同样明显：浪费能量，发热，而且均衡效率低，因为靠电阻消耗能量毕竟需要时间，在大功率电池组的情况下，这一点也不得不考虑。

实际上，现在很多大公司，如Ti，英飞凌等公司已经实现了更高级的均衡方式，使得能量使用效率更高，均衡速度更快的方式。而Ti在这方面已经开发出了专用IC—bq78PL114，下一节来介绍这款IC采用的主动平衡：PowerPump cell balancing。

上次介绍了现在应用最广泛最简单的锂离子电池均衡方法，当然其它各种均衡方法也一直存在，只不过因为大容量锂电池一直没有推广，而且很多厂家没有实力来产品化这些技术，所以市场上很少见。幸运的是，Ti已经将其中一种主动平衡方式集成到专用IC中，虽然使用CPU也可以实现，但是软件的可靠性毕竟不如硬件，而且这样产品化就变得简单了。下面简单介绍一下。

下面是bq78PL114 ApplicationNote里的原理图：



实际上原理很简单，在Ti的多篇文档里都有介绍。

当V3高于V2时，P3S端连接的IC管脚输出PWM。在PWM OFF时，Q1导通，V3通过Q1与电感构成回路（如图红线所示）。消耗V3的电力，这时电感内电流上升，能量储存在电感内。在PWM ON时，Q1截止，此时V2通过Q2内的二极管与电感凑成续流回路（如图蓝线所示）。此时储存在电感内的电流下降，能量转移至V2。至此，能量由V3转移至V2的过程完成，知道两者电压相等时PWM关闭。

下图是对一组2Ah的锂电池进行均衡时的波形。使用固定占空比的PWM，可以看出电感内的电流变化，以及被均衡的电池电压纹波，在充电阶段，电压有上升的现象。

对于PWM频率，占空比，电感容量的选择，三者是相互关联的。Ti的IC推荐频率是200kHz，这样可以减小电感，从而降低成本。



这个方式需要的PWM数量是2×(n-1)，n是电池数量。相对还是比较多的。而且能量转移只能从一节电池转移到与它相邻的电池。如果电池数量多的话，控制算法还是相当复杂的。当然了，既然Ti已经把算法IC化，那么关键问题只是成本而已。

但是使用bq78PL114+BQ76PL102，最多可以管理8节电池。如果电动汽车需要80节，那么需要10个这样的电池组分别管理。这样的话，成本又增加了。所以这款IC应该是针对手持设备，或者笔记本电池，或者电动自行车电池比较合适。



还有一种利用电容储存电量进行能量转移的方法，但是控制逻辑更加复杂，因为使用的开关更多，而且控制出错的话容易发生短路，所以不做介绍。

而电路上和逻辑控制上最简单的方式是使用变压器，这个很容易理解。关键是变压器的设计制造成本都比较高，体积也大一点。如果大容量的锂离子电池主动均衡方式发展的话，应该是本文介绍的电感和变压器方式。目前英飞凌在网上有一篇文章做了介绍，可以参考。