串聯(lián)鋰離子電池組的均衡詳細介紹
作為為電動汽車提供動力的大功率鋰電池組，為了保證整個電池組的容量，對電池進行均衡管理是必要的。
市場上各種各樣的電池管理IC都提供了電壓均衡管理功能，用戶只需外接部分元器件就可以實現(xiàn)。但是遺憾的是，大多數(shù)電池管理IC采用的都是用電阻分流/耗電的方式來實現(xiàn)各個電池間的平衡。這種方式在小功率的電池組，比如筆記本，手持設(shè)備，或者電動自行車用電池都是可以接受的。但是對于上百安時的電池，將電量白白消耗掉實在是浪費，而且對于宣傳“環(huán)保/節(jié)能”的電動汽車來講，多少也有點說不過去。
實際上，在鉛酸電池時代，對于電池組的均衡已經(jīng)出現(xiàn)了各種各樣的方式。下面主要是針對鋰電池組，介紹幾種可行的均衡方式。
1，電阻分流/耗能/bleeding/shutting
這種方式是市面上最常見，也是最簡單的方式。在09年的電動自行車展上展出的鋰電池組用的保護板，也包括電動汽車用的保護板，它們的均衡方式都是用電阻實現(xiàn)的。原因也很簡單：容易實現(xiàn)，沒有更好的辦法。其實也是成本最低的方式。
電路原理如下圖：
原理非常簡單，控制器會實時監(jiān)測各節(jié)電池的電壓，如果發(fā)現(xiàn)某一節(jié)電壓過高，并且達到了均衡開啟的條件，該電池對應(yīng)的開關(guān)就會打開，這時該電池對應(yīng)的電阻上就會有電流流過。如果當時是在充電，那么流過電池的電流就會減少，該電池充電速度減慢，最終跟其它電池的電壓相同；如果當時是在放電或者閑置，那么該電池的電量會在對應(yīng)的電阻上消耗掉，最終電壓下降，達到與其它電池相同的水平。
當然了，均衡條件可以自己設(shè)定，也可以設(shè)定只在充電時執(zhí)行均衡功能。
這種方法最大的優(yōu)點是：成本低，結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)。對于沒有研發(fā)能力的小公司，這也是現(xiàn)存唯一的方式。而缺點也是同樣明顯：浪費能量，發(fā)熱，而且均衡效率低，因為靠電阻消耗能量畢竟需要時間，在大功率電池組的情況下，這一點也不得不考慮。
實際上，現(xiàn)在很多大公司，如Ti，英飛凌等公司已經(jīng)實現(xiàn)了更高級的均衡方式，使得能量使用效率更高，均衡速度更快的方式。而Ti在這方面已經(jīng)開發(fā)出了專用IC—bq78PL114，下一節(jié)來介紹這款I(lǐng)C采用的主動平衡：PowerPump cell balancing。
上次介紹了現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛最簡單的鋰離子電池均衡方法，當然其它各種均衡方法也一直存在，只不過因為大容量鋰電池一直沒有推廣，而且很多廠家沒有實力來產(chǎn)品化這些技術(shù)，所以市場上很少見。幸運的是，Ti已經(jīng)將其中一種主動平衡方式集成到專用IC中，雖然使用CPU也可以實現(xiàn)，但是軟件的可靠性畢竟不如硬件，而且這樣產(chǎn)品化就變得簡單了。下面簡單介紹一下。
下面是bq78PL114 ApplicationNote里的原理圖：
實際上原理很簡單，在Ti的多篇文檔里都有介紹。
當V3高于V2時，P3S端連接的IC管腳輸出PWM。在PWM OFF時，Q1導通，V3通過Q1與電感構(gòu)成回路（如圖紅線所示）。消耗V3的電力，這時電感內(nèi)電流上升，能量儲存在電感內(nèi)。在PWM ON時，Q1截止，此時V2通過Q2內(nèi)的二極管與電感湊成續(xù)流回路（如圖藍線所示）。此時儲存在電感內(nèi)的電流下降，能量轉(zhuǎn)移至V2。至此，能量由V3轉(zhuǎn)移至V2的過程完成，知道兩者電壓相等時PWM關(guān)閉。
下圖是對一組2Ah的鋰電池進行均衡時的波形。使用固定占空比的PWM，可以看出電感內(nèi)的電流變化，以及被均衡的電池電壓紋波，在充電階段，電壓有上升的現(xiàn)象。
對于PWM頻率，占空比，電感容量的選擇，三者是相互關(guān)聯(lián)的。Ti的IC推薦頻率是200kHz，這樣可以減小電感，從而降低成本。
這個方式需要的PWM數(shù)量是2×(n-1)，n是電池數(shù)量。相對還是比較多的。而且能量轉(zhuǎn)移只能從一節(jié)電池轉(zhuǎn)移到與它相鄰的電池。如果電池數(shù)量多的話，控制算法還是相當復雜的。當然了，既然Ti已經(jīng)把算法IC化，那么關(guān)鍵問題只是成本而已。
但是使用bq78PL114+BQ76PL102，最多可以管理8節(jié)電池。如果電動汽車需要80節(jié)，那么需要10個這樣的電池組分別管理。這樣的話，成本又增加了。所以這款I(lǐng)C應(yīng)該是針對手持設(shè)備，或者筆記本電池，或者電動自行車電池比較合適。
還有一種利用電容儲存電量進行能量轉(zhuǎn)移的方法，但是控制邏輯更加復雜，因為使用的開關(guān)更多，而且控制出錯的話容易發(fā)生短路，所以不做介紹。
而電路上和邏輯控制上最簡單的方式是使用變壓器，這個很容易理解。關(guān)鍵是變壓器的設(shè)計制造成本都比較高，體積也大一點。如果大容量的鋰離子電池主動均衡方式發(fā)展的話，應(yīng)該是本文介紹的電感和變壓器方式。目前英飛凌在網(wǎng)上有一篇文章做了介紹，可以參考。