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電池組均衡充電電路的思考
針對電池組均衡充電电路拓扑的设计，国内外研究人员提出了许多种不同的电路拓扑结构。由均衡过程中电路对能量的消耗情况，可将電池組均衡充電电路分为能量耗散型和能量非耗散型两大类。
1、能量耗散型均衡
能量耗散型均衡是通過在電池組中各單體電池兩端分別並聯分流電阻進行放電，從而實現均衡。分流電阻放電均衡電路是最爲直接的均衡技術，該技術是通過分流電阻對容量高的單體電池進行放電，直至所有單體電池容量在同一水平。
如圖2.1所示，可並聯的分流電阻分爲兩類。
圖2.1（a）稱之爲固定電阻放電均衡，並聯在單體磷酸锂鐵電池兩端的分流電阻將持續對單體電池進行放電，放電電阻Ri=1，2，.…，n）的大小可根據當前單體電池的狀態進行調節。該方法只適用于鉛酸電池、鎳氫電池，原因在于這兩種電池在過充時不會損壞單體電池]。這種電路簡單、成本低，缺點在于無論電池是處于充電狀態還是放電狀態，分流電阻會一直將單體電池能量以熱量的形式消耗掉。一般適用于能量充足、對可靠性要求高的場合，如衛星電源等。
图2.1（b）称之为开关电阻放电均衡，在此充电过程中，通过并联在单体电池两端的均衡开关S（i=1，2，n）和分流电阻R（i=1，2，n）实现对充电电流的调节，均衡电流通过控制均衡开关的占空比或开关周期来实现]。基于该思想Atmel公司推出了用ATA6870集成锂电池管理芯片构成的开关电阻放电式容量均衡管理方案，如图2.2所示。ATA6870是一款針對纯电动汽车（混合动力汽车）用锂离子电池测量、监控的电池管理芯片，一块芯片可支持对6节单体电池电压、温度进行检测，当电池组进行充电时，并联在单体电池两端的开关管S由控制芯片ATA6870输出的6路脉宽调制信号来控制，调制信号的占空比由控制电路根据相应的均衡充电控制策略来进行调整，因而能实现对单体电池充电电流的独立调节。相比固定电阻放电均衡电路，该电路更有效、可靠性更高，且能适用于锂离子电池。该方法的缺点是在大容量电池组均衡中存在较严重的散热问题，对锂离子电池性能影响较大，为此对热管理要求很高。
上述兩種能量耗散型電路的缺點在于都存在將電池組能量以熱量的形式損耗掉，如果應用于電池組放電時均衡，將縮短電池組的使用裏程。因此，上述電路適用于小功率電池組的充電均衡，且電池組的放電電流低于10mA/Ah。
2、能量非耗散型均衡
相對于能量耗散式均衡，能量非耗散式均衡電路能耗更小，但相對電路結構更爲複雜。按能量變換方式，可分爲能量轉移式均衡和能量轉換式均衡。
①能量轉移式均衡
通過電容或電感等儲能元件，將锂電池組中容量高的單體電池中的能量轉移到容量低的單體電池上的均衡形式，稱之爲能量轉移式均衡。利用電容作儲能元件，目前已發展有三種典型的均衡電路拓撲：開關電容電路、飛渡電容電路、雙層開關電容電路。
1）開關電容法均衡
如圖2.3（a）所示，對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組，開關電容法均衡電路需要n-1個電容元件和2n個開關器件。以單體電池B1和B2端電壓不一致爲例，控制過程中，存在兩種狀態，狀態“A”和狀態“B”，如下圖2.4所示。
在狀態“A”時，開關S1和S3開通；狀態“B”時，關閉開關S1和S3，S2和S4開通。同時，在狀態“A”和狀態“B”中，加入一定的死區時間ta。死區時間ta的大小由式（2.1）決定。
t=maxta（）+t，tor（a）+tr）（2.1）
其中，toa（）、t分別爲開關s的開通延遲和上升延遲時間，toro、tr分別爲開關S的關斷延時和下降延時時間。狀態“A”中，C1和B1並聯，C1將會被充放電，最終C1的電壓值和B1一致；狀態B”中，開關S1和S3關斷，S2和S4開通，C1和B2並聯，C1將對B2充放電，經曆幾個周期後，B1和B2端電壓將一致。該電路的缺點是只能用于單體電池間的端電壓均衡，同時只能實現相鄰單體電池間的能量流動，因此當串聯電池數目較多時，均衡時間相對較長。
2）飛渡電容法均衡
如圖2.3（b）所示，對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組，飛渡電容法拓撲結構只需要1個開關電容元件和n+5個開關器件。控制方法是：控制器將串聯電池組中容量最高的單體電池和容量最低的單體電池對應的開關器件進行切換控制，以此來實現該組電池間能量的流動。然而，該方法現僅在超級電容器組的電壓均衡中得以廣泛應用，對于锂離子電池組的飛渡電容法均衡研究甚少。
3）雙層電容法均衡
如圖2.3（c）所示，雙層電容法均衡電路也是對開關電容法電路的一個推導與變換，區別在于該電路使用了兩層開關電容來實現電池間的能量轉移。對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組，雙層電容法需要n個開關電容元件和2n個開關器件。相比較開關電容法均衡電路，該電路的優點是利用增加的外層開關電容，使得單體電池不僅可以和相鄰的單體電池進行電壓均衡，同時還可以和非相鄰的單體電池均衡，因此均衡速度得以提高。
利用電感作儲能元件，目前已提出的典型均衡方法有：開關電感法、雙層開關電感法等。
1）開關電感法均衡
如圖2.5（a）所示，對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組，開關電感法均衡電路需要需要n-1個電感元件和2（n-1）個開關器件。以圖示3節電池串聯成組爲例，當單體電池B2容量高于B1時，對應PWM驅動S?開通，B2給u充電；然後，S2斷開，S1導，電感L1將存儲的能量迪過S1傳遞給B1。相鄰單體的兩個開關管驅動信號互補，同時加入死區，在死區時段，電感L1通過B1和S1的反並聯二極管續流，也是在給B1充電。同樣，單體B2容量高于B3時也采用相同的方式均衡。該均衡電路結構簡單，然而只能實現相鄰單體電池之間的容量均衡，且串聯電池數目較少的場合，如混合動力汽車用動力電池電源。當串聯電池數目較多、首尾兩端的單體電池容量相差較大時，勢必造成均衡時間過長，且均衡效率低下。
2）雙層開關電感法均衡
針對传统开关电感法均衡时间长的问题，文献[25]对图2.5（a）均衡电路进行了改进，如图2.5（b）所示，将相邻的两个单体看做一个，每个单体都通过MOSFET（金属氧化物半导体场效应管）和一个电感相连，相邻两个再形成一组，和另外组再通过一个MOSFET和电感相连，在数目较大时会形成一个环式结构。正是这种结构，使得每个单体不但可以和相邻单体进行容量均衡，还能和相隔较远的单体同时进行能量交换，使均衡时间显著缩短，解决了传统开关电感法均衡电路均衡速度慢这个最大问题。
②能量轉換式均衡
能量轉換式均衡是經DC-DC變換電路，實現電池組整體（也可經外部輸入電源）向容量低的單體電池進行補充電，也可由容量高的單體電池經隔離變換電路實現向電池組充電，以實現均衡充電的目的。按結構大體可分爲兩種：集中式、分布式。
1）集中式均衡
集中式均衡電路，其能量轉換是經一個多輸出的隔離變換器實現對電池組中容量最低的單體電池直接充電。該方案可實現快速均衡，變換器輸入可以是電池組整體，也可從外部電源取得電能進行均衡。
變壓器的原邊和副邊結構很多，典型的有反激和正激式結構，如圖2.6所示，在反激式均衡結構中，當主開關管S開通時，電池組的能量將以磁場能量儲存在變壓器T中；關斷S時，大部分能量將傳遞到變壓器副邊對電池組中電壓最低的單體電池充電。該電路的缺點在于爲避免變壓器飽和、以及對開關管S和二極管D的損壞，限制了系統效率的提高，以及對開關管占空比大小的調制，而且，變壓器漏感導致的電壓不平衡使得系統控制不能很好的補償。
在正激式均衡結構中，當檢測到某節單體電池電壓相比電池組平均電壓很大時，對應于並聯在該電池兩端的開關管S開通，能量經變壓器T和反並聯二極管傳遞給其他單體電池。由于多繞組變壓器的繞組共用一個鐵芯，因此漏感等産生的效應不能忽視，集中式均衡結構中變壓器的繞組不能過多，即均衡對象串聯電池組中電池單體數目要求較少。
2）分布式均衡
分布式均衡方案是在每節單體電池兩端均並聯一個均衡充電單元，如圖2.7所示，圖示中DC-DC變換器典型電路有buck-boost電路、反激式DC-DC等。
1）级联buck-boost 法均衡
傳統開關電感法均衡不適宜串聯電池組數目較多的場合，文獻[26]對其進行改進，提出了級聯buck-boost法均衡電路，如圖2.7（a）所示，該電路在每個單體電池上並聯一個buck-boost電路來分配電流，由圖示電路可知，每個變換器的開關應力降低，使得電路損耗減小。同時，對于由n節單體電池串聯組成的動力電池組，該結構包含有n個子電路，因此，該電路可進行模塊化設計，實用性增強，但控制複雜。
2）多原邊繞組反激變換器均衡
與圖2.6（a）示均衡結構采用多副邊繞組共用一個磁芯不同，圖2.7（b）示電路采用了多原邊繞組反激變換器，所有的原邊繞組都是串聯耦合的，同時每個原邊繞組都有獨立的充電控制開關SSR（i=1，2，，n）以實現均衡。假設單體電池B1容量最低，SSR1斷開，SSR2-SSRa開通，主開關管S以一定的占空比導通，S斷開時，電池組電流通過二極管流入B1。
在分布式均衡電路中，反激式變換電路最爲實用，優點是均衡效率高、開關元件電壓等級與電池組串聯節數無關，適合于電動汽車用動力锂離子電池均衡充電場合。
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