基于双层准谐振开关电容的锂电池组均衡方法

湖南大学汽车电子与控制技术教育部工程研究中心的研究人员李泉、周云山、王建德、傅兵，在2017年第21期《电工技术学报》上撰文指出，电动汽车用动力锂电池组一般采用多个电池单体串并联的结构,由于电池单体本身的不一致性,需要在电池组充、放电过程中进行能量的均衡控制。

采用双层准谐振开关电容的均衡方法进行串联电池组的能量主动均衡,通过对常规双层开关电容均衡方法的改进,利用准谐振软开关实现开关的零电流导通和截止。仿真及实验结果验证了该方法的有效性。

电动汽车及混合动力汽车都需要动力电池组，目前的蓄电池，不论是铅酸电池、镍氢电池还是锂离子电池，由于单体电压较低，在应用到电动汽车时都需进行多个电池的串并联以满足汽车所需要的高电压。锂电池是目前已经商业化应用的电池中能量密度最高的，因此在电动汽车和混合动力汽车上获得了较多应用。

在锂电池的生产制造过程中，不可能做到电池特性的完全一致，由于生产工艺问题和材质的不均匀性，使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差异，这种电池内部结构和材质上的不一致性，导致同一批次出厂的电池的单体电压、电池容量、内阻等参数不一致。

另外，在电池装车使用时，由于电池的安装位置不同、散热情况的差异、自放电程度的差别等影响，在一定程度上增加了电池各参数的不一致。这种不一致性导致锂电池的串联应用时，需要电池管理系统对电池在充、放电过程中进行能量动态均衡，以避免单个电池出现过充电或过放电，并最大限度地保证每个单体电池的容量相当，从而保证电池组的使用寿命和可靠性。

目前电池组应用的均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两大类。被动均衡也称为耗散型均衡，其实现方式即在每个单体电池上并联一个可控的电阻进行分流，将容量多的电池中多余的能量消耗掉，实现整组电池电压的均衡。

主动均衡即能量转移均衡，其实现方法是将电池单体能量高的部分转移到能量低的电池单体，或是用整组电池能量补充到单体最低的电池，在实施过程中需要一个储能环节，以便能量通过这个环节重新进行分配。

目前有许多种主动均衡理论，其中包括利用开关电容变换器的均衡方法。A. C. Baughman等在此基础上提出了双层开关电容的理论，提高了单层开关电容均衡的效率。

本文提出一种改进的谐振型双层开关电容的均衡控制方法，通过使用LC串联的谐振开关电容系统，实现开关的零电流导通及关断，可以进一步降低开关损耗，改善电磁干扰( Electro Magnetic Interference，EMI)问题，提高均衡的效率。

图9 实验电路及电池电压波形

结论

锂电池组的能量均衡控制是电池管理系统的重要功能之一，传统的双层开关电容电池组充、放电均衡方法由于使用了硬开关，存在较大的电磁干扰和开关损耗问题。

本文提出一种采用准谐振双层开关电容的均衡结构，通过软开关技术的应用，实现开关切换时的零电流导通和截止，有利于降低开关损耗和提高均衡的效率，并在系统仿真和电路实验中得到了验证。