4.3　电池单体均衡

在混合动力汽车、电动汽车或插电式混合动力汽车中，电池被连接成并联或串联形式来形成一个电池组。当电池被串联形成一个串时，这个串的可用能量取决于含有最小能量的电池。同样，当为电池组充电时，能够传输到电池组的能量取决于剩余能量最多的那个电池。

当用成百上千的电池单体连成串时，各个单体的容量和内阻有微小的差别。随着时间的推移，由于使用模式特别是运行温度的不同，这种差别会被放大。

因此在电池组运行期间，保持电池单体的均衡是非常重要的。有两大类可用的均衡方法:被动式均衡和主动式均衡。对于被动式平衡，能量高的电池单体通过电阻或晶体管放电，能量以热量形式耗散。对于主动式均衡，能量高的电池单体放电给能量低的电池单体。

对于被动式均衡，通常有电阻和晶体管或IC均衡电路。这两种方法在充电或闲置状态下都可以使用。

图4-9展示了3个单体电池串基于电阻的被动式均衡。电阻/晶体管与每个电池单体并联。当通过任何一个电池单体的电压低于设定电压时（本例中为3.65 V），晶体管关闭，因此没有电流通过旁路电路，所有充电电流都通过电池组为电池组充电。一旦单体电压到达3.65 V，晶体管闭合，通过电阻/晶体管的电流开始增加。在本例中，电压低于3.65 V的单体继续充电，但电压达到或超过3.65 V的单体被旁路并停止充电。当电池组中的所有电池单体电压都到达3.65 V时，充电过程就停止了。

这种均衡方法的优点是电路小而简单，因此成组可以很容易实现。同时电压可以非常精确，精确到几个毫伏。其缺点是:①均衡基本上是基于电压的均衡方法。即使每个电池单体的开路电压彼此相同，它们含有的能量可能也不同。②通过电阻/晶体管的能量以热能形式浪费了。这不仅降低了充电效率，也为电池组的热管理造成了困难。通常旁路电流的设计都不超过几个安培。

图4-9　电阻充电平衡方法

（a）充电时的平衡；（b）闲置时的平衡

另一方面，主动式均衡可以非常有效，有两种主动式均衡:一种是传统的基于电容器或电感的电池均衡，另一种是基于DC/DC变换器的电池均衡。主动式均衡可以提供很高的效率，但会增加接线和控制算法的复杂度，而且如果把它建在电池组内会非常昂贵。

图4-10　基于DC/DC变换器的均衡方法

基于DC/DC变换器的单位均衡结合了DC/DC变换器和感性均衡方案的优点，如图4-10所示。在这个电路中，通过选择开关，可以将DC/DC变换器的输入切换到任何一个单体，也可以将其输出切换到任何一个单体。在充电、放电或闲置期间，当DC/DC变换启动后，控制算法将搜索所有单体中电压最低的和电压最高的单体。一旦发现了电压最高的和电压最低的单体，DC/DC变换器就被控制利用最高电压单体的能量向电压最低的电池单体充电，直到单体达到平均电压。这个过程将继续下去直到所有的单体都具有相同的电压。

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为了限制均衡过程中的热生成，当电池均衡电路开启时，充电电流应减小。因此，图4-11和图4-12分别阐述了充电控制器和均衡控制器的平衡控制过程。本例中，电池在3.65 V时被充满电（开路电压），并且在4.0 V（浮动电压）时充电到100%。在电池电压达到3.65 V时开启平衡。在均衡期间，当最大电压Vmax＝3.65 V时充电电流被减小一个比例，在Vmax＝4.2 V时减小到1.65 A。

当一节电池单体的电压到达3.65 V时，充电器算法会启动均衡电路，同时，将充电电流减小到1.65A。然而，如果最大电池电压低于3.65 V，则均衡电路被关闭，充电电流恢复。以3.3～3.65 V、3.65～4.0 V滞回，可避免电路进入不稳定状态。

均衡控制算法将增加晶体管的开启时间，因此更多的电流将通过旁路电路。

图4-11　为电池平衡设计的充电器控制算法

图4-12　为电池平衡设计的均衡器控制算法