引言

在由蓄電池作為儲能單元的系統(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容量，例如在電動汽車、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)致即便串聯(lián)蓄電池組每個單體的充放電電流相同，也會使每個單體的容量產(chǎn)生不同，進(jìn)而影響整個蓄電池組的工作。最壞的情況，在一個蓄電池組中，有一個單體的剩余容量接近為100%,另一個單體的剩余容量為0,則這個蓄電池組既不能充電也不能放電，完全不能使用。因此對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-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.電阻消耗均衡法

電阻消耗均衡法是通過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所示。每個蓄電池單體通過一個三極管與一個電阻連接，通過控制三極管的導(dǎo)通與關(guān)斷實(shí)現(xiàn)蓄電池單體對電阻的放電。該種結(jié)構(gòu)控制簡單，放電速度快，可多個單體同時(shí)放電。但缺點(diǎn)也很明顯，能量消耗大，只能對單體進(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)均衡，效率低。

圖1電阻消耗均衡法結(jié)構(gòu)圖

2.開關(guān)電容法

開關(guān)電容法是在每兩個相鄰的蓄電池之間通過開關(guān)器件與一個電容并聯(lián)，如圖2所示。通過控制開關(guān)器件驅(qū)動信號pWM的占空比實(shí)現(xiàn)相鄰兩個電池之間能量的傳遞。例如若蓄電池單體容量B1高于B2,G1開通G2關(guān)斷時(shí)，電容C1和電池單體B1并聯(lián)，B1將能量傳遞給C1;G1關(guān)斷G2開通時(shí)，電容C1和電池單體B2并聯(lián)，C1將能量傳遞給B2,完成這個周期內(nèi)的能量傳遞。以此類推，通過控制開關(guān)器件的開通與關(guān)斷，利用電容實(shí)現(xiàn)能量的逐個傳遞。

圖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所示電路，在每兩個電池單體之間連接一個等效電阻，可以推出如等式淵1冤給出的等效阻值。這種方法由于能量逐個傳遞，因此均衡時(shí)間較長，可以根據(jù)等式淵1冤，通過改變開關(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。

圖3開關(guān)電容法等效電路

式中:f為開關(guān)頻率；t=RC;D為占空比。

開關(guān)電容法控制簡單，可實(shí)現(xiàn)充電和放電均衡，但由于是逐級傳遞能量，因此均衡速度較慢。

3.雙向DC-DC變流器法

該方法每個蓄電池單體都連接一個雙向DCDC變流器后再串聯(lián)，如圖4所示。由于蓄電池單體電壓等級比較低，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的控制策略，可以實(shí)現(xiàn)對每個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-DC變流器的電感可能工作在斷續(xù)狀態(tài)。

圖4雙向DC-DC變流器法結(jié)構(gòu)圖

圖5蓄電池單體恒壓充電控制框圖

這種均衡方法可以同時(shí)對所有電池單體進(jìn)行充放電，并針對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。但由于每個蓄電池單體都需要一個雙向DC-DC變流器，因此成本較高。

4.多繞組變壓器均衡法

多繞組變壓器法是將每個蓄電池單體連接到變壓器的一個副邊，如圖6所示。在對蓄電池組進(jìn)行電壓均衡時(shí)，控制變壓器副邊電壓首先高于最低的一個蓄電池單體，此時(shí)這個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，給最低的兩個單體充電，照這種方法持續(xù)下去，充電電壓如圖7所示。

圖6多繞組變壓器法結(jié)構(gòu)圖

圖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)量改變繞組個數(shù)，不易于蓄電池組的擴(kuò)展曰僅能通過給蓄電池單體充電的方式實(shí)現(xiàn)均衡。

5.多模塊開關(guān)選擇均衡法

該種方法的結(jié)構(gòu)如圖8所示，由于串聯(lián)蓄電池單體數(shù)量較多，可以將這些單體分為M個模塊，每個模塊有K個單體。每個蓄電池單體均有一組開關(guān)與雙向DC-DC變流器連接，開關(guān)由兩個反向串聯(lián)的MOSFET組成，在單體未選中進(jìn)行充放電時(shí)，控制芯片控制相應(yīng)MOSFET關(guān)斷，單體與變流器斷開曰由控制器選擇給某個單體進(jìn)行充電時(shí)，通過控制芯片開通對應(yīng)的光耦，令MOSFET導(dǎo)通，將該蓄電池單體接入DC-DC變流器，如圖9所示。

圖8多模塊開關(guān)選擇均衡法結(jié)構(gòu)圖

圖9多模塊開關(guān)選擇均衡法控制電路

這種方法可以對任何一個單體進(jìn)行單獨(dú)充放電，充放電電流可控，但是每次只能針對一個電池單體，因此整個蓄電池組的充放電均衡時(shí)間較長，尤其在單體數(shù)量很大的情況下。

6.開關(guān)電感法

開關(guān)電感法是在相鄰兩個蓄電池單體之間通過MOSFET與一個電感相連，如圖10所示，若當(dāng)單體容量B1大于B2時(shí)，首先令開關(guān)Q1導(dǎo)通Q2斷開，B1給電感L1充電，然后Q1斷開Q2閉合，此時(shí)電感將存儲的能量釋放給B2,為了保證Q1和Q2不同時(shí)導(dǎo)通，會加入死區(qū)，在死區(qū)時(shí)間里，電感L1通過B2,D2續(xù)流。同時(shí)B2也可以給B3傳遞能量，也可以實(shí)現(xiàn)能量反方向的流動，直到所有電池單體容量相同為止。

圖10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，對于N個蓄電池單體，需要2N-2個MOSFET和N-1個電感。

7.結(jié)論

蓄電池組各單體容量的均衡對于串聯(lián)蓄電池組的工作效率和安全起著非常重要的作用，長時(shí)間的不均衡會導(dǎo)致整個蓄電池組壽命縮短，嚴(yán)重影響整個系統(tǒng)的工作。本文介紹了各種蓄電池均衡方法的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，從中我們可以看出，沒有一種方法是十全十美的，需要根據(jù)應(yīng)用場合堯均衡時(shí)間堯串聯(lián)數(shù)量堯成本等因素綜合考慮，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用的選擇。