0 引言

车载动力锂离子电池成组后，电池单体性能的不一致严重影响了电池组的使用效果，减少了电池组的使用寿命。造成单体电池间差异的因素主要有以下三方面：(1)电池制作工艺限制，即使同一批次的电池也会出现不一致；(2)电池组中单体电池的自放电率不一致；(3)电池组使用过程中，温度、放电效率、保护电路对电池组的影响会导致差异的放大。因此均衡系统是车载动力锂电池组管理系统的关键技术。本文设计了一种车载动力锂电池组主动均衡系统，通过能量双向转移的方式，在电池组充放电末期对电池组内各单体电池进行均衡处理，使电池组单体性能保持一致，避免单体过充过放，延长了电池组的使用寿命。

1 主动均衡系统设计方案

1.1 系统硬件设计

车载动力锂电池组主动均衡系统结构图如图1所示，N个单体串联构成锂电池组模块，通过电池管理系统（Battery Management System，BMS）从机采集锂电池组模块中各单体的电压信息，由通信将各单体电压信息传递于均衡主控模块，通过均衡策略控制均衡模块组对电池组内各单体电池进行均衡。

主动均衡系统设计主要由两部分组成：

（1）主动均衡主控部分：均衡主控部分负责对各单体电压信息的处理、均衡策略管理、与均衡模块化部分通信和PWM控制信号产生及驱动。

（2）主动均衡模块组部分：均衡模块组由N个均衡模块单元构成，每个均衡模块单元与其对应的单体电池并接。均衡模块单元由一个反激变压器和两个开关管构成。

1.2 均衡主控芯片

均衡模块单元控制芯片采用LTC3300，该芯片可实现多达6节串联锂电池的双向同步反激式平衡、高达10 A的平衡电流、高达92%的电荷转移效率、可堆迭式架构可用于大于1 000 V的系统、高噪声裕度串行通信、48引脚带裸露衬垫QFN封装和LQFP封装。

1.3 均衡主电路

主动均衡模块组由N个均衡模块单元构成，本文设计的均衡系统模块单元如图2所示。均衡模块单元包括一个反激变压器和两个开关管，每个均衡模块单元反激变压器的原边绕组与对应该单体电池的正负极连接，副边绕组均连接到功率总线。开关管分别串接到原边绕组的非同名端与副边绕组的同名端。其中开关管为MOSFET开关管。

图3为均衡模块组电路。均衡主控模块通过均衡策略控制各均衡单元MOSFET管的导通顺序，从而实现能量转移型双向型能量变换。能量从电压较高单体通过变换直接传递到电压较低单体。

例如：当检测到CELL1的单体电压较高，CELL3电压较低。此时开启均衡功能，实现能量由CELL1转移至CELL3。首先，S11导通，S12断开，放电电流Id从CELL1正极经T1原边绕组流到CELL1负极，T1原边绕组储存能量；经过设定时间t1之后，S11断开，S12导通，储存在T1原边绕组的能力耦合至T1副边；经过设定时间t2后，S32导通，此时T1副边绕组储存的能量传递于T3副边绕组；经过设定时间t3后，S12断开，S32断开，S31导通，储存在T3副边绕组的能量耦合至T3原边，给单体电压较低的CELL3补电，如此实现能量从CELL1转移到CELL3。

1.4 单体电池电压测量

精确的单体电压测量是整个电池管理系统的核心，为均衡功能的顺利实现提供了基础，同时为电池管理系统中SOC(State Of Charge)值的精确计算提供了保证。本文利用BMS从机模块采集各单体电压，由通信将单体电压信息传递给均衡主控模块。电压采集芯片为LTC6802-2，该芯片是一款完整的电池监视IC，它内置一个12位ADC、一个精准电压基准、一个高电压输入多工器和一个串行接口。每个LTC6802-2能够在总输入电压高达60 V的情况下测量12个串接电池的电压。所有12个输入通道上的电压测量都能在13 ms的时间之内完成。可以将多个LTC6802-2器件串联起来，以监视长串串接电池中每节电池的电压。

1.5 均衡控制策略

电池管理系统BMS实时监测电池的电压、电流等参数，然后根据SOC算法计算电池的剩余电量。当发现电池出现不一致时，BMS主机向均衡主控模块发送均衡命令，开启均衡功能。启动均衡功能之后，均衡控制策略根据电池的SOC、单体极值、单体压差等情况控制均衡电路，使电量从最高的单体电池转移到其他的单体电池，相当于电量高的电池给电量低的电池充电，最终实现电池组内各单体电池的均衡。

2 实验与测试

为验证能量双向转移型主动均衡方案的性能，在电池组静态下进行了实际电路实验，均衡时间为30 min。电池组由12个50 Ah锂电池单体串联构成，初始各单体电压如表1所示。从表可以看出，Cell7单体电压最高，为3.166 5 V；Cell8单体最低，为2.640 0 V。通过均衡策略控制计算出均衡所需时间，30 min后测量单体锂电池电压。均衡前后的单体电压变化如图4所示。由图4可以看出：（1）均衡后单体最高为Cell7(为3.043 5 V)，单体最低为Cell8(为2.788 5 V)。对比均衡前单体最高电压下降了0.123 0 V，单体最低电压上升了0.148 5 V；（2）均衡前电压均方差为2.22045E-16，均衡后均方差为1.11022E-16；（3）均衡后12串单体更趋向于某一电压值，电池单体的一致性有明显提高，说明了该电路具有较好的均衡效果。

3 结论

通过分析现有均衡技术，本文设计了一种能量双向转移型主动均衡系统。该方案通过反激变换电路实现，采用多变压器法均衡拓扑结构，使得电荷能量在单体间和模块间高效传递。由实验可以得出，该均衡系统能有效提高电池单体间和电池模块间的一致性，从而延长动力电池的使用寿命，增加电动车的单次行驶里程，提高了锂离子电池组的利用率。