现阶段新能源电动车的驱动能量主要来自动力电池，驱动电动车行驶需要较高能量，故动力电池通常由大量单体电池串并联而成。而由于制造工艺、存放时间以及工作温度等因素的影响，大量单体电池在串并联的情况下使用，会日趋不一致[1]。电池不一致性如果不加以控制，在电池充放电过程中，会出现个别电池过充放现象，使电池发生不可逆损坏，降低电池可重复使用的次数[2]。并且由于电池的“木桶效应”，不一致性还会降低电池的实际可用容量，使电动车的行驶里程减小[3]。改善电池间不一致性，可延长电池的使用寿命，提高实际可用容量，因此对电动车的电池组进行能量一致性管理，显得尤为重要。
电池组能量均衡管理的方法，按是否损耗能量可分为耗散型均衡(即被动均衡)和非耗散型均衡(即主动均衡)[4]。被动均衡主要指通过电阻放电，以热量形式直接消耗掉较高电压电池的能量。被动均衡法虽能以低成本保证电池的一致性，但该均衡法会使电池能量损耗，降低电池的利用率。因此为解决被动均衡缺点引起的问题，能量转移型的主动均衡方式被大力倡导。目前，研究人员提出了多种主动均衡方案[5]，电池电量通过电容、电感、变压器[6]、储能电池[7]、升-降压型DC/DC变换器[8-9]等媒介进行能量转移，达到电池能量均衡的目的。虽然主动均衡通过转移能量进行均衡，避免了能量的损耗和散热问题，但电路较为复杂，影响因素较多，成本较高[10]。
因被动均衡会产生电池能量损耗，若在行车过程中使用该方法均衡，则得不偿失，加快电池能量流失，降低电池的利用率。若所有单体电池均用主动均衡电路，不仅电路更为复杂，成本较高，且当电池单体间能量差距较小时，均衡能量较难控制：若均衡条件设定过低，容易造成双向反复均衡；若均衡条件设定过高，则无法达到预期的均衡效果。
为研究实验出更适用于实际的均衡方式，本文基于电池串联的电动自行车电池包，提出了一种电池单体用被动均衡，电池组间用主动均衡方式的均衡方式。通过实验验证了该均衡方式的可行性，且均衡后的电池包还能用于电动自行车。
1 电池单体及组间主被动均衡设计
因被动均衡成本低，主动均衡转移能量[11]，本方案结合主、被动均衡方式的优点，将被动均衡用于电池充电状态时的电池单体均衡，主动均衡用于电池静置和放电或充电状态时的电池组间均衡。该均衡策略结构示意图如图1所示，策略主要由被动均衡模组和主动均衡模组组成，其中主动均衡模组包括电压采集、微控制器处理及均衡控制模组。
以电池的一个充放电循环均衡为例，在电池静置或放电过程中，实时监测各组电池总电压，计算单体电池的平均电压。当组间平均电压极差大于所设定的启动均衡值时，微控制器控制产生一个控制脉宽调制(PWM)讯号，驱使场效晶体管通断。通过设定PWM波的周期或占空比来控制主动均衡转移的能量。当均衡到电压极差降到所设均衡终止极差值时，关闭PWM波。此时已能确保各电池组电压值较为一致，若仍存在轻微不一致，不影响使用，可在电池充电过程中，利用被动均衡，进一步均衡电池。
2 被动均衡模组
本文所提被动均衡模组包括单体电池保护及被动均衡电路，采用HY2113和HY2213系列芯片。由于单体电池保护及被动均衡电路重复性较强，本文只撷取两节锂离子电池的保护及均衡电路，其电路如图2所示。若需增加电池，只需在此基础上增加相同电路即可。
HY2113系列IC可用于锂离子电池的过充电、过放电保护。充电过程中，当单体电池电压超过过充电检测电压(VCU)，并且持续时间超过过充电检测延迟时间(TOC)时，HY2113系列IC关断用于充电控制的OC端子的三极管，停止充电。放电过程中，当单体电池电压降低到过放电检测电压(VDL)，并且持续时间超过过放电检测延迟时间(TOD)时，HY2113系列IC关断用于放电控制的OD端子的三极管，停止放电。
HY2213系列IC内建高精度电压检测电路和延迟电路，适用多节电池组的单节锂离子电池充电平衡控制。充电过程中，当单节电池电压超过所设均衡检测电压(小于充电检测电压VCU)，并且持续时间超过延迟时间时，芯片驱动OUT端子的MOSFET导通，通过所接电阻形成放电回路，进行放电均衡。
3 主动均衡模组
电动车在行驶过程中使用被动均衡，会造成电池不必要的能量损耗，其可使用能量减少。因此，被动均衡仅用于单体电池充电过程，对放电或静置过程中的电压不一致情况，本设计对电池组组间不均衡采用主动均衡方式。
3.1 主动均衡硬件电路
本文设计的主动均衡是依据电池电压进行的，电池组电压的取样精度决定了电池的均衡效果，因此对电池组电压的监测精度要求较高。为得到较精确的电池电压，本文不使用主控芯片所带的模数埠，而是利用TM7705芯片进行电池组电压监测取样[12]，如图3所示。TM7705低成本，低功耗，且采用Σ-Δ结构实现模数转换，在噪音环境下能免受干扰，因此较适合用于工作环境较为恶劣的电动车。
主动均衡控制电路如图4所示，可通过微控制器控制进行双向均衡。微控制器将采集到的电池组电压资料进行处理，计算出各电池组电压平均电压。判断电池组平均电压间的电压极差，当电压极差大于启动均衡压差值时，启动主动均衡电路。均衡电路Buck-Boost电路的工作原理[13]：控制PWM脉冲宽度调制讯号的周期和占空比，进而控制AO3460场效晶体管导通时间变化。当PWM讯号驱动AO3460导通时，电感电流上升；当PWM讯号驱动AO3460截止时，电感电流不能突变，经流D3或D4，形成回路，使电压高的电池组的电量均衡到电压低的电池组。因电池组内电池串联，故均衡时，电量同时均衡到各个电池。当均衡到电池组间平均电压的极差小于停止均衡压差值时，停止均衡。
3.2 主动均衡软件控制流程
本文所提均衡策略采用STM8S003F3P6芯片，使用C语言编写，在IAR Embedded Workbench IDE开发环境中进行，包括电压采集模组、均衡控制模组及均衡状态显示。软件控制流程如图5所示，先进行系统初始化，通过SPI通讯方式控制TM7705进行电池组的电压采集，处理TM7705返回的各个电池组的总电压资讯，计算各电压组的平均值当差大于设定的启动均衡电压差时，启动均衡电路；当差小于所设截止均衡电压差时，停止均衡。
4 实验验证及结果分析
本文所提供的实验验证基于电动自行车的电池包，该电池包由10节18650型号三元锂离子动力电池串联组成。该型号电池额定电压为3.65 V，充电终止电压为4.2 V。本实验设计在该电池包基础上增加被动均衡及主动均衡电路，使其不仅提供电动自行车行驶能量，且可用于当汽车12 V蓄电池没电时，给蓄电池搭电。即使搭电会造成电池电压不均衡，也可利用本文所设计的被动均衡和主动均衡电路，将不均衡的电池单体和电池组均衡到趋于一致。
4.1 被动均衡电路验证及结果分析
HY2213-BB3A芯片过充电检测电压可为4.200±0.025 V，过充电均衡截止电压可为4.190±0.035 V。选用此芯片监测电池的电压，当某节电池在充电过程中，电压超过充电检测电压，且该充电状态持续时间大于250 ms时，芯片OUT端子会产生由低到高的电平变化，来开启AO3400场效晶体管，使该较高电压的电池放电回路导通，达到均衡效果。被动均衡电路用62 Ω电阻放电，其功率约为0.3 W，均衡电流约为68 mA。表1为被动均衡电路的验证实验及资料。
将电池从负极向正极依次从1～10升序编号，初始电池电压极差0.014 V，共同充放电后，人为给第9节放电，其电池电压3.775 V，其余电池电压均在3.9 V～3.919 V之间，电压极差为0.144 V。经过充放电循环，电池包中各个单体电池电压基本一致，且压差已恢复到0.014 V。实验结果表明该电池被动均衡电路可实现电池单体的均衡。
4.2 主被动均衡策略验证及结果分析
将电池包的10节电池分为两组：一组为编号7～10节电池；另一组为1～6节电池。在汽车12 V蓄电池没电时，可将7～10节电池用作汽车的搭电宝，并模拟了电池组的不均衡状态。通过提供100 kHz、33%占空比的PWM方波，控制主动均衡电路均衡两组电池的电压，均衡电流约为42 mA。被动均衡与主动均衡相结合，可使电池单体和电池组的电压趋于一致。PWM均衡电路输入脉冲讯号，对比资料，观察电池从不平衡到平衡的过程。表2为主被动均衡策略实验资料。
初始电池最大压差0.014 V，人为给第3、7节放电，使第3、7节电池电压在3.96 V左右，其余电池电压在4.13 V左右，电压极差为0.177 V。给电池充电，除3、7节电池外，其余电池均启动被动均衡，均衡电流67 mA。从表2所记录资料可以看出，当其余电池接近满电压，但个别电池不均衡时，仅用被动均衡进行均衡，效果并不明显，且均衡速度慢。因此主动均衡介入是必要的。
实验设定判断启动主动均衡的电压极差为100 mV，停止主动均衡电路判断压差设定为45 mV。用7～10节电池给汽车搭电，模拟电池组间不均衡，此时电池组间平均电池压差为0.299 V。启动PWM波主动均衡电路，给电池组均衡。重新设定主动均衡的启停条件，充电30 min后，再次启动PWM主动均衡电路，使电池组间平均电池压差为15 mV。再次利用被动均衡电路给电池包充电，使电池包电池组间压差降为10 mV。此时主被动均衡策略已完成一个均衡循环。为了证明该主被动均衡策略所均衡的电池电压极差较小并非偶然，本文另外增加了一次完全放电和充电过程，给该电池包放电达到放电截止电压，再给该电池包充电。该电池包中电池放完电时，电压极差仅为22 mV；充满电时，该电池包电压极差仅为8 mV。结果表明，本文所设计的电池均衡策略切实可行，且均衡效果明显。
5 结论
本文针对动力电池不均衡问题，提出了一种新型的均衡策略。电池充电过程中，当某节单体电池电压高于所设定的充电检测电压时，启动该电池的电阻放电回路，该电池的充电电流减小，其他电池正常充电；电池静置或放电情况下，实时监测电池组总电压，计算各电池组中单体电池电压的平均电压，判断各电池组平均电压的极差，当电压极差大于所设定的均衡启动电压时，启动均衡电路。对该策略方法基于电动自行车的电池包进行实验，结果表明，电池轻微的不均衡可用充电均衡给所有单体电池均衡，电池单体或电池组严重不均衡时，需先用主动均衡方式进行能量转移，再用被动均衡方式整体调整。实验证明了该均衡策略的可行性，且主被动均衡后的电池电压基本恢复，可正常使用。
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作者资讯:
吴 宏，宋春伟，郭永洪
（中国计量大学 机电工程学院，浙江 杭州310018）
