0 引言

    現階段新能源電動車的驅動能量主要來自動力電池，驅動電動車行駛需要較高能量，故動力電池通常由大量單體電池串并聯而成。而由于制造工藝、存放時間以及工作溫度等因素的影響，大量單體電池在串并聯的情況下使用，會日趨不一致^[1]。電池不一致性如果不加以控制，在電池充放電過程中，會出現個別電池過充放現象，使電池發生不可逆損壞，降低電池可重復使用的次數^[2]。并且由于電池的“木桶效應”，不一致性還會降低電池的實際可用容量，使電動車的行駛里程減小^[3]。改善電池間不一致性，可延長電池的使用壽命，提高實際可用容量，因此對電動車的電池組進行能量一致性管理，顯得尤為重要。

    電池組能量均衡管理的方法，按是否損耗能量可分為耗散型均衡(即被動均衡)和非耗散型均衡(即主動均衡)^[4]。被動均衡主要指通過電阻放電，以熱量形式直接消耗掉較高電壓電池的能量。被動均衡法雖能以低成本保證電池的一致性，但該均衡法會使電池能量損耗，降低電池的利用率。因此為解決被動均衡缺點引起的問題，能量轉移型的主動均衡方式被大力倡導。目前，研究人員提出了多種主動均衡方案^[5]，電池電量通過電容、電感、變壓器^[6]、儲能電池^[7]、升-降壓型DC/DC變換器^[8-9]等媒介進行能量轉移，達到電池能量均衡的目的。雖然主動均衡通過轉移能量進行均衡，避免了能量的損耗和散熱問題，但電路較為復雜，影響因素較多，成本較高^[10]。

    因被動均衡會產生電池能量損耗，若在行車過程中使用該方法均衡，則得不償失，加快電池能量流失，降低電池的利用率。若所有單體電池均用主動均衡電路，不僅電路更為復雜，成本較高，且當電池單體間能量差距較小時，均衡能量較難控制：若均衡條件設置過低，容易造成雙向反復均衡；若均衡條件設置過高，則無法達到預期的均衡效果。

    為研究實驗出更適用于實際的均衡方式，本文基于電池串聯的電動自行車電池包，提出了一種電池單體用被動均衡，電池組間用主動均衡方式的均衡方式。通過實驗驗證了該均衡方式的可行性，且均衡后的電池包還能用于電動自行車。

1 電池單體及組間主被動均衡設計

    因被動均衡成本低，主動均衡轉移能量^[11]，本方案結合主、被動均衡方式的優點，將被動均衡用于電池充電狀態時的電池單體均衡，主動均衡用于電池靜置和放電或充電狀態時的電池組間均衡。該均衡策略結構示意圖如圖1所示，策略主要由被動均衡模塊和主動均衡模塊組成，其中主動均衡模塊包括電壓采集、微控制器處理及均衡控制模塊。

    以電池的一個充放電循環均衡為例，在電池靜置或放電過程中，實時監測各組電池總電壓，計算單體電池的平均電壓。當組間平均電壓極差大于所設定的啟動均衡值時，微控制器控制產生一個控制脈寬調制(PWM)信號，驅使場效應管通斷。通過設置PWM波的周期或占空比來控制主動均衡轉移的能量。當均衡到電壓極差降到所設均衡終止極差值時，關閉PWM波。此時已能確保各電池組電壓值較為一致，若仍存在輕微不一致，不影響使用，可在電池充電過程中，利用被動均衡，進一步均衡電池。

2 被動均衡模塊

    本文所提被動均衡模塊包括單體電池保護及被動均衡電路，采用HY2113和HY2213系列芯片。由于單體電池保護及被動均衡電路重復性較強，本文只截取兩節鋰離子電池的保護及均衡電路，其電路如圖2所示。若需增加電池，只需在此基礎上增加相同電路即可。

    HY2113系列IC可用于鋰離子電池的過充電、過放電保護。充電過程中，當單體電池電壓超過過充電檢測電壓(V_CU)，并且持續時間超過過充電檢測延遲時間(T_OC)時，HY2113系列IC關斷用于充電控制的OC端子的三極管，停止充電。放電過程中，當單體電池電壓降低到過放電檢測電壓(V_DL)，并且持續時間超過過放電檢測延遲時間(T_OD)時，HY2113系列IC關斷用于放電控制的OD端子的三極管，停止放電。

    HY2213系列IC內置高精度電壓檢測電路和延遲電路，適用多節電池組的單節鋰離子電池充電平衡控制。充電過程中，當單節電池電壓超過所設均衡檢測電壓(小于充電檢測電壓V_CU)，并且持續時間超過延遲時間時，芯片驅動OUT端子的MOSFET導通，通過所接電阻形成放電回路，進行放電均衡。

3 主動均衡模塊

    電動車在行駛過程中使用被動均衡，會造成電池不必要的能量損耗，其可使用能量減少。因此，被動均衡僅用于單體電池充電過程，對放電或靜置過程中的電壓不一致情況，本設計對電池組組間不均衡采用主動均衡方式。

3.1 主動均衡硬件電路

    本文設計的主動均衡是依據電池電壓進行的，電池組電壓的采樣精度決定了電池的均衡效果，因此對電池組電壓的監測精度要求較高。為得到較精確的電池電壓，本文不使用主控芯片所帶的模數端口，而是利用TM7705芯片進行電池組電壓監測采樣^[12]，如圖3所示。TM7705低成本，低功耗，且采用Σ-Δ結構實現模數轉換，在噪音環境下能免受干擾，因此較適合用于工作環境較為惡劣的電動車。

    主動均衡控制電路如圖4所示，可通過微控制器控制進行雙向均衡。微控制器將采集到的電池組電壓數據進行處理，計算出各電池組電壓平均電壓。判斷電池組平均電壓間的電壓極差，當電壓極差大于啟動均衡壓差值時，啟動主動均衡電路。均衡電路Buck-Boost電路的工作原理^[13]：控制PWM脈沖寬度調制信號的周期和占空比，進而控制AO3460場效應管導通時間變化。當PWM信號驅動AO3460導通時，電感電流上升；當PWM信號驅動AO3460截止時，電感電流不能突變，經流D3或D4，形成回路，使電壓高的電池組的電量均衡到電壓低的電池組。因電池組內電池串聯，故均衡時，電量同時均衡到各個電池。當均衡到電池組間平均電壓的極差小于停止均衡壓差值時，停止均衡。

3.2 主動均衡軟件控制流程

    本文所提均衡策略采用STM8S003F3P6芯片，使用C語言編寫，在IAR Embedded Workbench IDE開發環境中進行，包括電壓采集模塊、均衡控制模塊及均衡狀態顯示。軟件控制流程如圖5所示，先進行系統初始化，通過SPI通信方式控制TM7705進行電池組的電壓采集，處理TM7705返回的各個電池組的總電壓信息，計算各電壓組的平均值當差大于設置的啟動均衡電壓差時，啟動均衡電路；當差小于所設截止均衡電壓差時，停止均衡。

4 實驗驗證及結果分析

    本文所提供的實驗驗證基于電動自行車的電池包，該電池包由10節18650型號三元鋰離子動力電池串聯組成。該型號電池額定電壓為3.65 V，充電終止電壓為4.2 V。本實驗設計在該電池包基礎上增加被動均衡及主動均衡電路，使其不僅提供電動自行車行駛能量，且可用于當汽車12 V蓄電池沒電時，給蓄電池搭電。即使搭電會造成電池電壓不均衡，也可利用本文所設計的被動均衡和主動均衡電路，將不均衡的電池單體和電池組均衡到趨于一致。

4.1 被動均衡電路驗證及結果分析

    HY2213-BB3A芯片過充電檢測電壓可為4.200±0.025 V，過充電均衡截止電壓可為4.190±0.035 V。選用此芯片監測電池的電壓，當某節電池在充電過程中，電壓超過充電檢測電壓，且該充電狀態持續時間大于250 ms時，芯片OUT端子會產生由低到高的電平變化，來打開AO3400場效晶體管，使該較高電壓的電池放電回路導通，達到均衡效果。被動均衡電路用62 Ω電阻放電，其功率約為0.3 W，均衡電流約為68 mA。表1為被動均衡電路的驗證實驗及數據。

    將電池從負極向正極依次從1～10升序編號，初始電池電壓極差0.014 V，共同充放電后，人為給第9節放電，其電池電壓3.775 V，其余電池電壓均在3.9 V～3.919 V之間，電壓極差為0.144 V。經過充放電循環，電池包中各個單體電池電壓基本一致，且壓差已恢復到0.014 V。實驗結果表明該電池被動均衡電路可實現電池單體的均衡。

4.2 主被動均衡策略驗證及結果分析

    將電池包的10節電池分為兩組：一組為編號7～10節電池；另一組為1～6節電池。在汽車12 V蓄電池沒電時，可將7～10節電池用作汽車的搭電寶，并模擬了電池組的不均衡狀態。通過提供100 kHz、33%占空比的PWM方波，控制主動均衡電路均衡兩組電池的電壓，均衡電流約為42 mA。被動均衡與主動均衡相結合，可使電池單體和電池組的電壓趨于一致。PWM均衡電路輸入脈沖信號，對比數據，觀察電池從不平衡到平衡的過程。表2為主被動均衡策略實驗數據。

    初始電池最大壓差0.014 V，人為給第3、7節放電，使第3、7節電池電壓在3.96 V左右，其余電池電壓在4.13 V左右，電壓極差為0.177 V。給電池充電，除3、7節電池外，其余電池均啟動被動均衡，均衡電流67 mA。從表2所記錄數據可以看出，當其余電池接近滿電壓，但個別電池不均衡時，僅用被動均衡進行均衡，效果并不明顯，且均衡速度慢。因此主動均衡介入是必要的。

    實驗設置判斷啟動主動均衡的電壓極差為100 mV，停止主動均衡電路判斷壓差設置為45 mV。用7～10節電池給汽車搭電，模擬電池組間不均衡，此時電池組間平均電池壓差為0.299 V。啟動PWM波主動均衡電路，給電池組均衡。重新設置主動均衡的啟停條件，充電30 min后，再次啟動PWM主動均衡電路，使電池組間平均電池壓差為15 mV。再次利用被動均衡電路給電池包充電，使電池包電池組間壓差降為10 mV。此時主被動均衡策略已完成一個均衡循環。為了證明該主被動均衡策略所均衡的電池電壓極差較小并非偶然，本文另外增加了一次完全放電和充電過程，給該電池包放電達到放電截止電壓，再給該電池包充電。該電池包中電池放完電時，電壓極差僅為22 mV；充滿電時，該電池包電壓極差僅為8 mV。結果表明，本文所設計的電池均衡策略切實可行，且均衡效果明顯。

5 結論

    本文針對動力電池不均衡問題，提出了一種新型的均衡策略。電池充電過程中，當某節單體電池電壓高于所設置的充電檢測電壓時，啟動該電池的電阻放電回路，該電池的充電電流減小，其他電池正常充電；電池靜置或放電情況下，實時監測電池組總電壓，計算各電池組中單體電池電壓的平均電壓，判斷各電池組平均電壓的極差，當電壓極差大于所設置的均衡啟動電壓時，啟動均衡電路。對該策略方法基于電動自行車的電池包進行實驗，結果表明，電池輕微的不均衡可用充電均衡給所有單體電池均衡，電池單體或電池組嚴重不均衡時，需先用主動均衡方式進行能量轉移，再用被動均衡方式整體調整。實驗證明了該均衡策略的可行性，且主被動均衡后的電池電壓基本恢復，可正常使用。

參考文獻

[1] 李娜，白愷，陳豪，等.磷酸鐵鋰電池均衡技術綜述[J].華北電力技術，2012(2)：60-65.

[2] 呂航，劉承志.電動汽車磷酸鐵鋰電池組均衡電路設計[J].電源學報，2016，14(1)：95-101.

[3] 趙光金，唐國鵬.主被動均衡技術及其在電池梯次利用中的應用[J].電源技術，2018，42(7)：983-986.

[4] 熊永華，楊艷，李浩，等.基于SOC的鋰動力電池多層雙向自均衡方法[J].電子學報，2014(4)：766-773.

[5] 魯文凡，呂帥帥，倪紅軍，等.動力電池組均衡控制系統的研究進展[J].電源技術，2017，41(1)：161-164.

[6] 王燦燁，劉庚辛，王鑫泉，等.基于主動均衡策略的電動汽車用鋰電池管理系統設計研究[J].汽車技術，2018(6)：5-10.

[7] 周英華，蔣慶斌.一種實用型電池均衡技術研究[J].電子器件，2018，41(1)：145-151.

[8] 孫金磊，逯仁貴，魏國，等.串聯電池組雙向全橋SOC均衡控制系統設計[J].電機與控制學報，2015，19(3)：76-80.

[9] 邊疆.雙向分散式動力電池均衡管理實驗研究[J].實驗技術與管理，2018，35(4)：65-68.

[10] Lu Languang，Han Xuebing，Li Jianqiu，et al.A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J].Journal of Power Sources，2013(226)：272-288.

[11] Wang Yujie，Zhang Chenbin，Chen Zonghai，et al.A novel active equalization method for lithium-ion batteries in electric vehicles[J].Applied Energy，2015(145)：36-42.

[12] 曾軒，董延華.基于AD7705的高精度極微弱信號A/D轉換的電路的設計[J].吉林師范大學學報，2014(4)：124-126.

[13] 趙奕凡，杜常清，顏伏伍.動力電池組能量均衡管理控制策略[J].電機與控制學報，2013，17(10)：109-114.

作者信息:

吳  宏，宋春偉，郭永洪

（中國計量大學 機電工程學院，浙江 杭州310018）