2024年3月17日发(作者：系峯)
第
37
卷 第
1
期
2007
年
2
月
电 池
BATTERY
BIMONTHLY
Vol
1
37,No
1
1
Feb
1
,2007
锂离子电池组均衡电路的发展现状
雷 娟
1,2
,
蒋新华
1,2
,
解晶莹
1,2
(
1
1中国科学院上海微系统与信息技术研究所
,
上海
200050;2
1中国科学院研究生院
,
北京
100049
)
摘要
:
介绍了锂离子电池组均衡电路的发展现状及均衡电路的原理。按功耗和功能对均衡方式进行了分类
,
能量非耗散型
均衡和充电均衡有广泛的实际应用。展望了锂离子电池组均衡电路的发展趋势。
关键词
:
锂离子电池组
;
非耗散型均衡
;
耗散型均衡
;
均衡电路
中图分类号
:TM912
1
9
文献标识码
:A
文章编号
:1001-1579
(
2007
)
01-0062-02
ThestatusquoofdevelopmentofequalizationcircuitofLi
2
ionbatteries
LEIJuan
1,2
,JIANGXin
2
hua
1,2
,XIEJing
2
ying
1,2
(
1
1
ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai
200050
,China;
2
1
GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing
100049
,China
)
Abstract:
ThestatusquoofdevelopmentofequalizationcircuitofLi
2
ionbatteries,thetheoryoftheequalizationcircuitwere
introduced
1
Theequalizationcircuitswereclassifiedbypowerdissipativeandfunction,thenondissipativeequalizationandcharge
equalizationwereusedwidelyinpractice
1
ThedevelopmenttrendofequalizationcircuitofLi
2
ionbatterieswasviewed
1
Keywords:
Li
2
ionbatteries;
nondissipativeequalization;
dissipativeequalization;
equalizationcircuit
锂离子电池的应用越来越广泛
,
为保证应用过程中的安全
性和优良的性能
,
均衡非常重要
,
本文作者对此进行了综述。
题。能量耗散型一般有两种类型
:
①恒定分流电阻均衡充电电
路
,
即每只单体电池都始终并联一个分流电阻
,
考虑电池的自
放电及功耗
,
分流电阻取值一般为电池内阻的数十倍。这种电
路的可靠性高
,
缺点在于无论电池处于充电还是放电过程
,
分
流电阻始终消耗功率
,
因此一般在能量充足、可靠性要求高的
场合适用
,
如卫星电源等。②开关控制分流电阻均衡充电电路
,
分流电阻通过开关控制
,
在充电过程中
,
当单体电池电压达到
终止电压时开始均衡
,
有最大单体电池充电电压和电池组平均
电压两种控制策略
[3]
。这种均衡电路工作在充电期间
,
可对充
电时电压偏高者进行分流
,
缺点是由于均衡时间的限制
,
导致
分流时产生的大量热需要管理
,
尤其是在电池组容量较大时。
2
1
1
1
2
能量非耗散型
能量非耗散型电路的耗能比能量耗散型要小
,
但电路结构
相对复杂
,
可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。
能量转换式均衡是通过开关信号
,
由锂离子电池组整体向
单体电池进行补充
,
或者由单体电池向电池组通过同轴线圈进
行能量转换。一种是单体电压向整体电压转换电路
[4]
。当单
体电池电压达到设定值时
,
均衡模块开始工作
,
进行分流
,
从而
降低充电电压
,
分出的电流经模块转换
,
把能量反馈回充电总
线
,
达到均衡的目的。另一种是整体电压向单体电压转换的电
路
,
是一种补充式充电均衡电路
[5]
。电池组通过
BulkCharging
模块对电池组进行主充电。当任意一只单体电池的电压过高
1
锂离子电池组均衡的意义
电池组中各单体电池之间存在不一致性
,
连续的充放电循
环导致的差异
,
将使某些单体电池的容量加速衰减
,
串联电池
组的容量由单体电池的最小容量决定
,
因此这些差异将使电池
组的使用寿命缩短。造成这种不平衡的主要原因有
[1-2]
:
①电
池制作过程中
,
由于工艺等原因
,
同批次电池的容量、内阻等存
在差异
;
②电池自放电率的不同
,
长时间的积累
,
造成电池容量
的差异
;
③电池使用过程中
,
使用环境如温度、电路板的差异
,
导致电池容量的不平衡。为减小这种不均衡对锂离子电池组
的影响
,
在电池组的充放电过程中
,
要使用均衡电路。
2
均衡方式的现状
2
1
1
能耗分类
目前锂离子电池组均衡控制的方法
,
由均衡过程中电路对
能量的消耗情况
,
可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。
2
1
1
1
1
能量耗散型
能量耗散型是通过给电池组中每只单体电池并联一个电
阻进行放电分流
,
从而实现均衡的。这种电路结构简单
,
只将
容量高的单体电池的能量消耗
,
存在能量浪费和热管理的问
作者简介
:
雷 娟
(
1982-
)
,
女
,
湖南人
,
中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士生
,
研究方向
:
锂离子电池组管理系统
,
本文联系人
;
蒋新华
(
1976-
)
,
男
,
江苏人
,
中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生
,
研究方向
:
锂离子电池组管理系统
;
解晶莹
(
1971-
)
,
女
,
黑龙江人
,
中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员
,
研究方向
:
新型化学电源及相关材料。
第
1
期
雷 娟
,
等
:
锂离子电池组均衡电路的发展现状
63
时
,
主充电电路关闭
,
补充式均衡充电模块开始对电池组充电。
均衡模块中的充电电压经过一个独立的
DC/DC
变换器对电池
组主充电
,
再通过
AC/DC,
将直流电变换为交流电到同轴线圈
变压器上
,
给各单体电池上增加相同的次绕组
,
这样
,
电压高的
单体电池从辅助充电电路上得到的能量少
,
电压低的单体电池
得到的能量多
,
从而达到均衡的目的。该方案的问题在于次绕
组的一致性很难控制
,
且同轴线圈也存在一定的能量耗散。有
的能量转换式均衡可通过续流电感
,
完成单体到电池组的能量
转换
[6]
。从成本和均衡效率来考虑
,
能量转换式可应用于助动
车等中小功率场合
,
但不适合扩展到更大的电池组中。
能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件
,
把锂离子
电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量比较低的电
池上。该电路通过切换电容开关
,
由电容传递相邻电池的能
量
,
将电荷从电压高的电池传送到电压低的电池
,
达到均衡的
目的
[7]
;
也可通过电感储能的方式
,
在相邻电池间进行双向传
递能量
[8]
。这种电路的能量损耗很小
,
但是达到均衡必须有多
次传输
,
所以速度较慢
,
不适于串联较多的电池组。改进的电
容开关均衡方式可通过选择
,
将电压高的单体电池的能量直接
转移到电压低的单体电池上
,
而不用通过整个电池组依次转
移
,
使均衡效率提高
[9]
。能量转移式均衡中
,
单体电池能量的
判断可通过模糊控制等智能算法来实现
[10]
。
2
1
2
均衡功能分类
2
1
2
1
1
充电均衡
能量转移式电路是一种电池容量补偿的方法
,
由于在实际
电路中需要对各只单体电池的电压进行检测判断
,
电路会很复
杂
,
体积大、成本高。能量转换式电路是一种集中式的能量变换
电路
,
它的电路相对简单
,
成本也有所降低。对于同轴线圈均衡
这类的电路
,
由于绕组到各单体电池之间的导线长度和形状不
同
,
变压比有差异
,
导致对每只单体电池均衡的不一致。同轴线
圈本身由于电磁泄露等问题
,
消耗了一定的能量。
4
小结
均衡电路有以下的发展趋势
:
①低功耗。均衡控制策略从
减小能量消耗出发
,
不仅可节约能源
,
还可减少发热量。②可级
连。电池组的模块化越来越重要
,
因此均衡电路的设计要考虑
级连性
,
可针对不同串联数的电池组进行扩展。③可靠性。把
根据电压的均衡和根据容量的均衡方式相结合
,
使均衡更加精
确
,
智能化均衡算法的使用
,
使电路更安全、节能。④实用性。
实际应用中
,
希望应用到设备中的均衡电路体积小
,
电路尽可
能简单
,
以降低成本。
参考文献
:
[1]
JIANGXin
2
hua
(
蒋新华
)
,FENGYi
(
冯毅
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,XIEJing
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ying
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解晶
莹
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孙逢春
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1电动汽车电
充电均衡是指在充电过程中的均衡
,
一般是在电池组单体
电压达到设定值时开始均衡
,
减小充电电流从而防止过充电。
开关电阻耗散型均衡和单体到电池组能量转换式均衡主要用
于充电均衡方式。采用并充串放的均衡电路也属此类均衡方
式
[11]
。充电均衡的使用
,
加大了低容量电池过放的可能。
2
1
2
1
2
放电均衡
放电均衡是在放电过程中的均衡
,
通过向电压低的单体电
池补充能量来防止过放电。电池组到单体能量转换的均衡主
要应用于放电均衡方式中
,
另外一种放电均衡方式是根据电池
组中单体电压值的大小
,
改变放电时间的长短
[12]
。放电均衡的
使用
,
加大了低容量电池过充的可能。
2
1
2
1
3
动态均衡
动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点
,
在整个
充放电过程中对电池组进行均衡
,
避免了单一均衡中的问题。
电容、电感型能量转移方式主要应用于此类均衡方式
,
还有一
种通过移除不正常电池的均衡方式
,
也适用于动态均衡
[13]
。当
充电过程中某只单体电池的电压大于一定值时
,
通过开关电路
使其停止充电
,
当其余电池的电压都达到该电池的电压时
,
它
重新加入充电
;
同样
,
在放电过程中当某只单体电池的电压小
于一定值时
,
通过开关电路断开
,
再由剩余电池继续放电
,
直到
与该电池电压相等
,
从而达到均衡。这种均衡方式可用于单体
电池差异较大的电池组中
,
但开关控制复杂且能耗大。
3
均衡电路在应用中的局限性
现有的锂离子电池的均衡方案中
,
基本上是以电池组的电
压来判断电池的容量
,
是一种电压均衡的方式
,
电压检测的准
确性和精度及漏电流的大小
,
直接影响了电池组的一致性。设
计简单高效的电压检测电路
,
是均衡电路需要解决的问题。
能量耗散型电路结构简单
,
但电阻的发热会引起电路的热
处理问题。其实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现
过高或过低的端电压
,
所以只适合在静态均衡中使用。
池组连接可靠性及不一致性研究
[J]
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车辆与动力技术
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HaradaK,TaniguchiS,AdachiK,
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1
Ontheremovingofaless
qualitybatteryfromaseries
2
connectedsystem[J]
1
International
TelecommunicationsEnergyConference
(
Proceedings
)
,2000,39
(
3
)
:761-764
1
收稿日期
:2006-04-03
2024年3月17日发(作者：系峯)
第
37
卷 第
1
期
2007
年
2
月
电 池
BATTERY
BIMONTHLY
Vol
1
37,No
1
1
Feb
1
,2007
锂离子电池组均衡电路的发展现状
雷 娟
1,2
,
蒋新华
1,2
,
解晶莹
1,2
(
1
1中国科学院上海微系统与信息技术研究所
,
上海
200050;2
1中国科学院研究生院
,
北京
100049
)
摘要
:
介绍了锂离子电池组均衡电路的发展现状及均衡电路的原理。按功耗和功能对均衡方式进行了分类
,
能量非耗散型
均衡和充电均衡有广泛的实际应用。展望了锂离子电池组均衡电路的发展趋势。
关键词
:
锂离子电池组
;
非耗散型均衡
;
耗散型均衡
;
均衡电路
中图分类号
:TM912
1
9
文献标识码
:A
文章编号
:1001-1579
(
2007
)
01-0062-02
ThestatusquoofdevelopmentofequalizationcircuitofLi
2
ionbatteries
LEIJuan
1,2
,JIANGXin
2
hua
1,2
,XIEJing
2
ying
1,2
(
1
1
ShanghaiInstituteofMicrosystemandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai
200050
,China;
2
1
GraduateSchooloftheChineseAcademyofSciences,Beijing
100049
,China
)
Abstract:
ThestatusquoofdevelopmentofequalizationcircuitofLi
2
ionbatteries,thetheoryoftheequalizationcircuitwere
introduced
1
Theequalizationcircuitswereclassifiedbypowerdissipativeandfunction,thenondissipativeequalizationandcharge
equalizationwereusedwidelyinpractice
1
ThedevelopmenttrendofequalizationcircuitofLi
2
ionbatterieswasviewed
1
Keywords:
Li
2
ionbatteries;
nondissipativeequalization;
dissipativeequalization;
equalizationcircuit
锂离子电池的应用越来越广泛
,
为保证应用过程中的安全
性和优良的性能
,
均衡非常重要
,
本文作者对此进行了综述。
题。能量耗散型一般有两种类型
:
①恒定分流电阻均衡充电电
路
,
即每只单体电池都始终并联一个分流电阻
,
考虑电池的自
放电及功耗
,
分流电阻取值一般为电池内阻的数十倍。这种电
路的可靠性高
,
缺点在于无论电池处于充电还是放电过程
,
分
流电阻始终消耗功率
,
因此一般在能量充足、可靠性要求高的
场合适用
,
如卫星电源等。②开关控制分流电阻均衡充电电路
,
分流电阻通过开关控制
,
在充电过程中
,
当单体电池电压达到
终止电压时开始均衡
,
有最大单体电池充电电压和电池组平均
电压两种控制策略
[3]
。这种均衡电路工作在充电期间
,
可对充
电时电压偏高者进行分流
,
缺点是由于均衡时间的限制
,
导致
分流时产生的大量热需要管理
,
尤其是在电池组容量较大时。
2
1
1
1
2
能量非耗散型
能量非耗散型电路的耗能比能量耗散型要小
,
但电路结构
相对复杂
,
可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种。
能量转换式均衡是通过开关信号
,
由锂离子电池组整体向
单体电池进行补充
,
或者由单体电池向电池组通过同轴线圈进
行能量转换。一种是单体电压向整体电压转换电路
[4]
。当单
体电池电压达到设定值时
,
均衡模块开始工作
,
进行分流
,
从而
降低充电电压
,
分出的电流经模块转换
,
把能量反馈回充电总
线
,
达到均衡的目的。另一种是整体电压向单体电压转换的电
路
,
是一种补充式充电均衡电路
[5]
。电池组通过
BulkCharging
模块对电池组进行主充电。当任意一只单体电池的电压过高
1
锂离子电池组均衡的意义
电池组中各单体电池之间存在不一致性
,
连续的充放电循
环导致的差异
,
将使某些单体电池的容量加速衰减
,
串联电池
组的容量由单体电池的最小容量决定
,
因此这些差异将使电池
组的使用寿命缩短。造成这种不平衡的主要原因有
[1-2]
:
①电
池制作过程中
,
由于工艺等原因
,
同批次电池的容量、内阻等存
在差异
;
②电池自放电率的不同
,
长时间的积累
,
造成电池容量
的差异
;
③电池使用过程中
,
使用环境如温度、电路板的差异
,
导致电池容量的不平衡。为减小这种不均衡对锂离子电池组
的影响
,
在电池组的充放电过程中
,
要使用均衡电路。
2
均衡方式的现状
2
1
1
能耗分类
目前锂离子电池组均衡控制的方法
,
由均衡过程中电路对
能量的消耗情况
,
可分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。
2
1
1
1
1
能量耗散型
能量耗散型是通过给电池组中每只单体电池并联一个电
阻进行放电分流
,
从而实现均衡的。这种电路结构简单
,
只将
容量高的单体电池的能量消耗
,
存在能量浪费和热管理的问
作者简介
:
雷 娟
(
1982-
)
,
女
,
湖南人
,
中国科学院上海微系统与信息技术研究所硕士生
,
研究方向
:
锂离子电池组管理系统
,
本文联系人
;
蒋新华
(
1976-
)
,
男
,
江苏人
,
中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士生
,
研究方向
:
锂离子电池组管理系统
;
解晶莹
(
1971-
)
,
女
,
黑龙江人
,
中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员
,
研究方向
:
新型化学电源及相关材料。
第
1
期
雷 娟
,
等
:
锂离子电池组均衡电路的发展现状
63
时
,
主充电电路关闭
,
补充式均衡充电模块开始对电池组充电。
均衡模块中的充电电压经过一个独立的
DC/DC
变换器对电池
组主充电
,
再通过
AC/DC,
将直流电变换为交流电到同轴线圈
变压器上
,
给各单体电池上增加相同的次绕组
,
这样
,
电压高的
单体电池从辅助充电电路上得到的能量少
,
电压低的单体电池
得到的能量多
,
从而达到均衡的目的。该方案的问题在于次绕
组的一致性很难控制
,
且同轴线圈也存在一定的能量耗散。有
的能量转换式均衡可通过续流电感
,
完成单体到电池组的能量
转换
[6]
。从成本和均衡效率来考虑
,
能量转换式可应用于助动
车等中小功率场合
,
但不适合扩展到更大的电池组中。
能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件
,
把锂离子
电池组中容量高的单体电池中的能量转移到容量比较低的电
池上。该电路通过切换电容开关
,
由电容传递相邻电池的能
量
,
将电荷从电压高的电池传送到电压低的电池
,
达到均衡的
目的
[7]
;
也可通过电感储能的方式
,
在相邻电池间进行双向传
递能量
[8]
。这种电路的能量损耗很小
,
但是达到均衡必须有多
次传输
,
所以速度较慢
,
不适于串联较多的电池组。改进的电
容开关均衡方式可通过选择
,
将电压高的单体电池的能量直接
转移到电压低的单体电池上
,
而不用通过整个电池组依次转
移
,
使均衡效率提高
[9]
。能量转移式均衡中
,
单体电池能量的
判断可通过模糊控制等智能算法来实现
[10]
。
2
1
2
均衡功能分类
2
1
2
1
1
充电均衡
能量转移式电路是一种电池容量补偿的方法
,
由于在实际
电路中需要对各只单体电池的电压进行检测判断
,
电路会很复
杂
,
体积大、成本高。能量转换式电路是一种集中式的能量变换
电路
,
它的电路相对简单
,
成本也有所降低。对于同轴线圈均衡
这类的电路
,
由于绕组到各单体电池之间的导线长度和形状不
同
,
变压比有差异
,
导致对每只单体电池均衡的不一致。同轴线
圈本身由于电磁泄露等问题
,
消耗了一定的能量。
4
小结
均衡电路有以下的发展趋势
:
①低功耗。均衡控制策略从
减小能量消耗出发
,
不仅可节约能源
,
还可减少发热量。②可级
连。电池组的模块化越来越重要
,
因此均衡电路的设计要考虑
级连性
,
可针对不同串联数的电池组进行扩展。③可靠性。把
根据电压的均衡和根据容量的均衡方式相结合
,
使均衡更加精
确
,
智能化均衡算法的使用
,
使电路更安全、节能。④实用性。
实际应用中
,
希望应用到设备中的均衡电路体积小
,
电路尽可
能简单
,
以降低成本。
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充电均衡是指在充电过程中的均衡
,
一般是在电池组单体
电压达到设定值时开始均衡
,
减小充电电流从而防止过充电。
开关电阻耗散型均衡和单体到电池组能量转换式均衡主要用
于充电均衡方式。采用并充串放的均衡电路也属此类均衡方
式
[11]
。充电均衡的使用
,
加大了低容量电池过放的可能。
2
1
2
1
2
放电均衡
放电均衡是在放电过程中的均衡
,
通过向电压低的单体电
池补充能量来防止过放电。电池组到单体能量转换的均衡主
要应用于放电均衡方式中
,
另外一种放电均衡方式是根据电池
组中单体电压值的大小
,
改变放电时间的长短
[12]
。放电均衡的
使用
,
加大了低容量电池过充的可能。
2
1
2
1
3
动态均衡
动态均衡方式结合了充电均衡和放电均衡的优点
,
在整个
充放电过程中对电池组进行均衡
,
避免了单一均衡中的问题。
电容、电感型能量转移方式主要应用于此类均衡方式
,
还有一
种通过移除不正常电池的均衡方式
,
也适用于动态均衡
[13]
。当
充电过程中某只单体电池的电压大于一定值时
,
通过开关电路
使其停止充电
,
当其余电池的电压都达到该电池的电压时
,
它
重新加入充电
;
同样
,
在放电过程中当某只单体电池的电压小
于一定值时
,
通过开关电路断开
,
再由剩余电池继续放电
,
直到
与该电池电压相等
,
从而达到均衡。这种均衡方式可用于单体
电池差异较大的电池组中
,
但开关控制复杂且能耗大。
3
均衡电路在应用中的局限性
现有的锂离子电池的均衡方案中
,
基本上是以电池组的电
压来判断电池的容量
,
是一种电压均衡的方式
,
电压检测的准
确性和精度及漏电流的大小
,
直接影响了电池组的一致性。设
计简单高效的电压检测电路
,
是均衡电路需要解决的问题。
能量耗散型电路结构简单
,
但电阻的发热会引起电路的热
处理问题。其实质是通过能量消耗的办法限制单体电池出现
过高或过低的端电压
,
所以只适合在静态均衡中使用。
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