均衡充電方法

1、蓄電池容量均衡方法概述-充電電路引言在由蓄電池作為儲(chǔ)能單元的系統(tǒng)中，由于蓄電池單體往往容量比較低，不能夠滿足大容量系統(tǒng)的要求，因此需要將蓄電池單體串聯(lián)，形成蓄電池組以提高供電電壓和存儲(chǔ)容量，例如在電動(dòng)汽車、微電網(wǎng)系統(tǒng)等領(lǐng)域大多需要蓄電池串聯(lián)。由于蓄電池單體自身制作工藝等原因，不同單體之間諸如電解液密度、電極等效電阻等都存在著差異，這些差異導(dǎo)致即便用聯(lián)蓄電池組每個(gè)單體的充放電電流相同， 也會(huì)使每個(gè)單體的容量產(chǎn)生不同， 進(jìn)而影響整個(gè)蓄電池組的工作。最壞的情況，在一個(gè)蓄電池組中，有一個(gè)單體的剩余容量接近為 100%100%另一個(gè)單體的剩余容量為0,0,則這個(gè)蓄電池組既不能充電也不能放電，完全不能使用

2、。因此對(duì)蓄電池容量的均衡是非常重要的，尤其是在大量蓄電池單體串聯(lián)的情況。蓄電池容量均衡的方法主要有電阻消耗均衡法、開關(guān)電容法、雙向 DC-DCDC-DC 變流器法、多繞組變壓器法、多模塊開關(guān)均衡法、開關(guān)電感法等。1 1 . .電阻消耗均衡法電阻消耗均衡法是通過(guò)與電池單體連接的電阻，將高于其他單體的能量釋放，以達(dá)到各單體的均衡，如圖 1 1 所示。每個(gè)蓄電池單體通過(guò)一個(gè)三極管與一個(gè)電阻連接，通過(guò)控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)蓄電池單體對(duì)電阻的放電。該種結(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，放電速度快，可多個(gè)單體同時(shí)放電。但缺點(diǎn)也很明顯，能量消耗大，只能對(duì)單體進(jìn)行放電不能充電，而且其他蓄電池單體要以最低的單體為標(biāo)準(zhǔn)才能實(shí)現(xiàn)均

3、衡，效率低。圖 1 1 電阻消耗均衡法結(jié)構(gòu)圖2 2 .開關(guān)電容法開關(guān)電容法是在每?jī)蓚€(gè)相鄰的蓄電池之間通過(guò)開關(guān)器件與一個(gè)電容并聯(lián)，如圖 2 2 所示。通過(guò)控制開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào) PWMPWM 勺占空比實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)電池之間能量的傳遞。例如若蓄電池單體容量 B1B1 高于 B2,G1B2,G1 開通 G2G2 關(guān)斷時(shí)，電容 C1C1 和電池單體 B1B1 并聯(lián)，B1B1 將能量傳遞給 C1;G1C1;G1 關(guān)斷 G2G2 開通時(shí)，電容 C1C1 和電池單體 B2B2 并聯(lián)，C1C1 將能量傳遞給 B2,B2,完成這個(gè)周期內(nèi)的能量傳遞。以此類推，通過(guò)控制開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，利用電容實(shí)現(xiàn)能量的逐個(gè)傳遞。

4、SclrctinriLogsfSclrctinriLogsfandandLeitchesMicnKMrilri.ilcrelecfanSCOnielecfanSCOni電昌威晚皮GNDGNDGNDGNDGNDGND圖 2 2 開關(guān)電容均衡法結(jié)構(gòu)圖該電路可以等效成如圖 3 3 所示電路，在每?jī)蓚€(gè)電池單體之間連接一個(gè)等效電阻，可以推出如等式淵 1 1 冤給出的等效阻值。這種方法由于能量逐個(gè)傳遞，因此均衡時(shí)間較長(zhǎng)，可以根據(jù)等式淵 1 1 冤，通過(guò)改變開關(guān)器件的開關(guān)頻率和電容容值的方法調(diào)節(jié)等效電阻，改變充放電電流。a圖 3 3 開關(guān)電容法等效電路式中:f f 為開關(guān)頻率；t=RC;Dt=RC;D 為占

5、空比。開關(guān)電容法控制簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)充電和放電均衡，但由于是逐級(jí)傳遞能量，因此均衡速度較慢。容量均衡均衡充電蓄電池3 3 .雙向 DC-DDC-D 喙流器法該方法每個(gè)蓄電池單體都連接一個(gè)雙向 DCDDCD 變流器后再串聯(lián)，如圖 4 4 所示由于蓄電池單體電壓等級(jí)比較低，一般情況下將蓄電池單體作為低壓側(cè)。在給蓄電池組充電時(shí)，根據(jù)圖5 5 的控制策略， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)蓄電池單體的恒壓充電， 如果將該控制策略的電壓外環(huán)打開，可以根據(jù)均衡的需要進(jìn)行恒流充放電控制。在放電時(shí)，如果連接負(fù)載較重，有些雙向 DC-DDC-DC C變流器的電感可能工作在斷續(xù)狀。圖 4 4 雙向 DC-DCDC-DC 變流器法結(jié)構(gòu)圖

6、Ry,I+exp(,I+exp(Tfci_i_fDTy cimcim電(I)9蒙挑反直流電源F 產(chǎn)i-i-I Ielecfanscomelecfanscom電跖依攝員匕房”elecfanscomelecfanscom之占或版左rd圖 5 5 蓄電池單體包壓充電控制框圖這種均衡方法可以同時(shí)對(duì)所有電池單體進(jìn)行充放電，并針對(duì)不同電池單體的容量情況控制充放電電流。 此方法控制靈活， 充放電均衡時(shí)間短。 但由于每個(gè)蓄電池單體都需要一個(gè)雙向 DC-DDC-DC C變流器，因此成本較高。4 4 . .多繞組變壓器均衡法多繞組變壓器法是將每個(gè)蓄電池單體連接到變壓器的一個(gè)副邊，如圖 6 6所示。在對(duì)蓄電池組進(jìn)行

7、電壓均衡時(shí)，控制變壓器副邊電壓首先高于最低的一個(gè)蓄電池單體，此時(shí)這個(gè)單體電路中的二極管導(dǎo)通，其他單體連接的二極管由于承受反壓關(guān)斷，僅給電壓最低的蓄電池單體充電，等到這個(gè)單體充至倒數(shù)第二高時(shí)，再提高副邊電壓，給最低的兩個(gè)單體充電，照這種方法持續(xù)下去，充電電壓如圖 7 7所示。圖 7 7 變壓器副邊充電電壓波形圖這種充電方式的多繞組變壓器設(shè)計(jì)復(fù)雜，而且價(jià)格較貴，需要根據(jù)不同的蓄電池單體數(shù)量改變繞組個(gè)數(shù)，不易于蓄電池組的擴(kuò)展日僅能通過(guò)給蓄電池單體充電的方式實(shí)現(xiàn)均衡。容量均衡均衡充電蓄電池多模塊開關(guān)選擇均衡法5 5 . .多模塊開關(guān)選擇均衡法該種方法的結(jié)構(gòu)如圖 8 8 所示，由于用聯(lián)蓄電池單體數(shù)量較多

8、，可以將這些單體分為 M M 個(gè)模塊，每個(gè)模塊有 K K 個(gè)單體。每個(gè)蓄電池單體均有一組開關(guān)與雙向 DC-DCDC-DC 變流器連接，開關(guān)由兩個(gè)反向串聯(lián)的 MOSFET&MOSFET&成，在單體未選中進(jìn)行充放電時(shí)，控制芯片控制相應(yīng) MOSFETlMOSFETl 斷，單體與變流器斷開日由控制器選擇給某個(gè)單體進(jìn)行充電時(shí)，通過(guò)控制芯片開通對(duì)應(yīng)的光耦，令 MOSFEMOSFE 曲通，將該蓄電池單體接入 DC-DCDC-DC 變流器，如圖 9 9 所示?？刂菩盘?hào)圖 9 9 多模塊開關(guān)選擇均衡法控制電路模塊選擇開美模塊選擇開美r雙向DC4)C變罐器elecfanscomelecfanscom也3 3窿探員

9、-V圖 8 8 多模塊開關(guān)選擇均衡法結(jié)構(gòu)圖雙向DC-DCDC-DC單體選擇開美單體選擇開美控制信這種方法可以對(duì)任何一個(gè)單體進(jìn)行單獨(dú)充放電， 充放電電流可控， 但是每次只能針對(duì)一個(gè)電池單體，因此整個(gè)蓄電池組的充放電均衡時(shí)間較長(zhǎng)，尤其在單體數(shù)量很大的情況下。6 6 .開關(guān)電感法開關(guān)電感法是在相鄰兩個(gè)蓄電池單體之間通過(guò) MOSFETMOSFETf f 一個(gè)電感相連,如圖 1 10 0 所示，若當(dāng)單體容量 B1B1 大于 B2B2 時(shí)，首先令開關(guān) Q1Q1 導(dǎo)通 Q2Q2 斷開，B1B1 給電感 L1L1 充電，然后 Q1Q1 斷開Q2Q2 閉合，此時(shí)電感將存儲(chǔ)的能量釋放給 B2,B2,為了保證 Q1Q1 和 Q2Q2 不同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)加入死區(qū)，在死區(qū)時(shí)間里，電感 L1L1 通過(guò) B2,D2B2,D2 續(xù)流。同時(shí) B2B2 也可以給 B3B3 傳遞能量，也可以實(shí)現(xiàn)能量反方向的流動(dòng)，直到所有電池單體容量相同為止。圖 1010 開關(guān)電感法電路結(jié)構(gòu)圖開關(guān)電感法可以實(shí)現(xiàn)相鄰電池單體間能量的同時(shí)傳遞，可以減少均衡時(shí)間，對(duì)于 N N個(gè)蓄電池單體，需要 2N-22N-2 個(gè) MOSFETSN-1MOSFETSN-1 個(gè)電感。7 7 . .結(jié)論蓄電池