立的均衡能量平衡方程为:

I

dis

U

dis

=

n

i = 1

I

chi

U

chi

( 3)

在忽略 电池充放电效率区别 的前提 下, 对 于放电 电流等 于

充电电流的 单体电池, 放 电能 量将 等于 充 电能 量, 其能 量将 保
持动态平衡; 对放 电电流 小于 充电 电流 的 单体 电池, 放 电能 量
将小于充电 能量, 能量将会不 断增加, 放 电电流 越小, 能量增 加
的速度越快, 反之亦然。

在能量 的流 动过程 中, 一方 面, 通过整 组电 池的放 电产 生

放电均衡的能量。在放电均衡过 程中, 尽管所 有电池 的放电 电
流相同, 但是剩余 能量高 的电 池由 于电 动 势高, 实 际放 出的 能
量也多, 即该 电 池的 放 电能 量 所占 的 比 例就 越 高, 反 之亦 然。
另一方面, 整组电 池的放 出能 量又 经过 能 量的 转换, 通 过独 立
的充电, 为能量 低的 电池 补充 能量。在 充 电均 衡的 过程 中, 剩
余能量低的 电池由于电动势低而 使得充 电电流 大, 根 据式( 2) ,
该电池得到的充电能量就越大, 即该电 池的充 电能量 所占的 比
例就越高, 反之亦然。

如果所有单体 电池 采 用的 充放 电均 衡的 线路 和参 数完 全

相同, 则均衡 能量 的 分配 和流 动 仅 取决 于 单体 电 池 的能 量 状
态。剩余能量越少, 该电池 充进的能 量越多, 放 出的能 量越少,
反之亦然。既不会出现所有电池 能量都 下降的 现象, 也不会 出
现所有电池能量都上升的现象。 一致性 较好的 电池, 剩余能 量
状态始终动 态保持较 好的 一致 性; 一致 性 差的 电池 中, 剩余 能
量高的电池充电的能量小于放出 的能量, 甚至 充电的 能量等 于
零, 结果是能量快速放出, 从而趋 近于一 致性较 好的电池; 剩 余
能量低的电池充电的能量大于放 出的能 量, 结 果是能 量快速 得
到补充, 从而也趋近于一致 性较好 的电池。实 际的均 衡效果 是
放电能量从能量高的电池流向能 量低的 电池, 宏观表 现为电 池
组的能量在所 有单 体电 池之 间实 现了 均衡 分布 和调 整。该 模
型能够根据单体电池能量状态的 高低差 别, 实 现电池 组能量 自
动的、

比例的流动和分配, 能量均衡过程具有高度智能性。

2 智能均衡的控制策略

根据上述模型, 提出一种 逆变分压 动态充 放电均 衡控制 策

略, 原理见图 2。

图 2 逆变分压动态充放 电均衡控制原理图

F ig 2

Diagram of equalizing charge and discharge based on

inver ted and equat ional voltag e

电容 C

1

、

C

2

, 功率开关管( I GBT ) T

1

、

T

2

, 多 抽头高 频变压 器

T 构成了一个标准的半桥式逆变拓扑电路结构

[ 3]

。串联电池组

与该逆变电路构成放电回路, 高频逆变 电路的 设计使 均衡模 块
的效率达到 85% 以上。根据单体电 池的数目设计, T 有 N 个副
边绕组, 每个副边绕组和两个 快恢复二 极管及 一个电 容构成 一
路全波整流及滤波电路, 再与 相对应的 单体电 池构成 一路独 立
的充电回路。逆变电路 将 电池 组的 高压 直流 电逆 变成 低压 高
频交流电, 再经过 全波整 流和 滤波 处理 变 换成 低压 直流 电, 为

单体电池充电, 从而构成能量单向 流动的闭合环路。

在本文模型中, 所有充 电单 元的参 数完 全相 同, 因此 T 的

所有副边绕组在设计上 完全相 同, 充 电电压 U

i

~ U

n

相 等。根

据半桥逆变电路的工作原理, 此充 电电压为:

U

ch

=

U

t

  N

s

2N

p

 

( 4)

U

ch

为单体电 池的充电电 压; U

t

为电池组 在均衡充放 电状

态下的总电压; 为逆变电路的占 空比, 即功 率开关 T

1

或 T

2

的

开通时间与开关周期的比值; N

p

为高 频变压 器原边绕 组匝数;

N

s

为高频变压器副边绕组匝数。

式( 4) 在理论上表明了均 衡充放 电状态 下的电 池组总 电压

与均衡充 电电压之间的 关系。一 方面, N 个 相等的 U

ch

实际 上

是 U

t

的某个比例[ ( N

s

/ 2N

p

)   ] 分压 ; 另 一方面, 在

不变 的

条件下, 可以 通过 调 整高 频 变压 器 原 边绕 组 的匝 数 调整 匝 比
( N

s

/ N

p

) 以控制充电电压, 也 可以在 匝比 ( N

s

/ N

p

) 不 变的条 件

下, 通过控制 的大小, 控制 U

ch

的 大小。 U

ch

越高, 充电电 流就

越大, 充电能量也 就越 大, 同时 在电 池组 中接 受充 电均 衡的 电
池就越多, 反之亦然。

根据电池监测系统的数据, 可实 时掌握 电池组 的不一 致态

势及变化趋势, 及时确定需要 接受充 电均衡 的电池 数目和 均衡
充放电力度。利用高频变压器 的匝比调 节和占 空比调 节, 既可
控制放电均衡的强 度, 又可 控制 充电 电压 的高 低, 从而 达到 选
择电池组中接受充电均衡的电 池单体和 控制均 衡强度, 实 现动
态均衡控制的目的。不同电池 的充放电 特性不 同, 应用本 文的
均衡策略, 还要依据充放电特性曲 线确定合理的控制参数。

3 结论

本文作者提出了一种能量 闭环智 能充放 电均衡控 制模型。

能量均衡在电池组内构成闭环 系统, 无需系 统外部 提供均 衡能
量, 在充放电和静 置状 态均 可进 行, 并对 均衡 过程 中的 放电 能
量实现了高效率的回收再利用。尤其在易于造成 EV 电池 不一
致程度迅速扩大的大功率放电 过程中, 对落 后电池 给予及 时的
能量补充, 一致性 可始 终保 持在 较高 的水 平; 提出 了一 种逆 变
分压动态 充放电均 衡控 制策 略。通 过基 于逆 变分 压的 能量 转
换装置, 回收电池 组自 身的 放电 均衡 能量, 并 转换 成充 电均 衡
能量, 从而构成均衡能量 的闭环单 向流动 环路。根 据单体 电池
能量状态的不同, 自动 实现 了单 体电 池之 间能 量的 动态、比 例
流动分配。根据电池的分散程 度动态、合理 地选择 接受充 电均
衡的对象和调整均衡的强度, 通过调 节高频 变压器 的匝比 和功
率开关的占空比, 实现接受充 电均衡 电池的 数目和 均衡强 度的
自动调节与控制, 智能 调节 每只 电池 的均 衡充 放电 能量, 最 终
实现整组电池的均衡管理和控制。

参考文献:

[ 1]

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[ J]

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技大学学报) , 2001, 24( 3) : 49- 51

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Bat t ery Bimont hly ( 电 池 ) ,

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ZH AN G Zhan song( 张占松) , CAI X uan san( 蔡宣三)

开关电源的

原理与设计[ M ]

Beijing ( 北京 ) : Publishing House of Electronics

Indust ry( 电子工业出版社) , 2004 280- 296

收稿日期: 2004- 06- 20

38

电

池

BA T T ER Y

BIM ON THL Y

第 35 卷