傳統(tǒng)汽車在全球保有量的不斷增加，造成了能源短缺、氣候變暖、空氣和水質(zhì)量下降等問(wèn)題。從20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的現(xiàn)代電動(dòng)汽車具有低排放、甚至零排放、熱輻射低、噪音低和環(huán)境友好等特點(diǎn)，是節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的新型交通工具，具有廣闊的發(fā)展前景。先進(jìn)的電動(dòng)汽車包括純電動(dòng)(BEV)、混合動(dòng)力(HEV)與燃料電池汽車(FCEV)三類[1]，其中具有更高效率、無(wú)污染、不依賴汽油的純電動(dòng)汽車又是其中的佼佼者。目前，市場(chǎng)上銷售的純電動(dòng)汽車以小型車為主，這既與電池的能量密度相關(guān)，也與當(dāng)前消費(fèi)需求有關(guān)。隨著近年來(lái)動(dòng)力電池技術(shù)的巨大發(fā)展，純電動(dòng)汽車已進(jìn)入了快速發(fā)展期。

    為電動(dòng)汽車提供動(dòng)力能源的大容量蓄電池常稱作動(dòng)力電池。車用動(dòng)力電池一般由多個(gè)單體電池串聯(lián)組成一個(gè)模塊，又稱電池包。由于單體電池制造過(guò)程中性能的不一致性和使用過(guò)程中電池包內(nèi)部環(huán)境的非均勻性等原因，隨著使用時(shí)間的增加，單體電池之間的性能差異將逐漸拉大[2]，若不采取措施將造成某些單體電池過(guò)充電而某些單體電池過(guò)放電，過(guò)充和過(guò)放不僅影響電池壽命，損壞電池，而且還可能產(chǎn)生大量的熱量造成電池性能急劇下降，因此采取電池能量均衡技術(shù)來(lái)補(bǔ)償電池性能的差異是非常必要的[3]。
1 電池均衡方法
1.1 現(xiàn)有的電池均衡方法
1.1.1 分流均衡法
    鋰離子電池分流均衡法是在單體鋰離子電池上附加一個(gè)均衡電路，該電路起到分流作用，如圖1所示。在這種模式下，當(dāng)某個(gè)電池首先滿充時(shí)，其均衡裝置能阻止其過(guò)充并將多余的能量通過(guò)分流電阻R1，R2，…，Rn轉(zhuǎn)化成熱能，同時(shí)又能對(duì)未完成充電的電池繼續(xù)充電。

    為了避免由于R1，R2，…，Rn造成的大功率損耗，這種方法最好與帶有滿充小電流的開(kāi)關(guān)充電器一起使用。
    分流充電方法的缺點(diǎn)：需要設(shè)置分流電阻R1，R2，…，Rn，造成大功率損耗，這種方法僅適用于小電流充電的系統(tǒng)。
1.1.2 有源單元平衡法
    有源單元平衡法是通過(guò)有源電荷開(kāi)關(guān)或者電壓或電流轉(zhuǎn)換器把能量從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元。有源單元平衡法可以分為電荷開(kāi)關(guān)和能量轉(zhuǎn)換兩個(gè)主要控制過(guò)程[4]。圖2所示是飛速電容均衡充電方法[5]。

    控制系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)通或切斷電子線路中的開(kāi)關(guān)，就可以控制電池B1，B2，…，Bn與電容C之間的導(dǎo)通或切斷關(guān)系，由此控制電池B1，B2，…，Bn向電容C充電或放電。例如，當(dāng)開(kāi)關(guān)S1關(guān)閉時(shí)，可使電容C連接到B1單元；一旦電容C充滿，開(kāi)關(guān)S1打開(kāi)，開(kāi)關(guān)S2隨關(guān)閉，使電容C連接到B2單元；這時(shí)，如果B2的電壓小于B1的電壓時(shí)，電容C會(huì)將電荷傳遞到B2，縮小B1和B2之間的電壓差；如果B2的電壓大于B1的電壓時(shí)，B2繼續(xù)向電容C充電。電容C可以以同樣的方式連接到B3，B4，…，Bn，以此類推，可將充電電壓最高單元的電荷傳遞到充電電壓最低的單元，達(dá)到各單體鋰離子電池的均衡。
    這種方法的缺點(diǎn)是，系統(tǒng)不能精確判斷線路中每片電池的電壓值，要花費(fèi)大量的時(shí)間，才能將電荷從高電壓?jiǎn)卧獋鬟f到低電壓?jiǎn)卧?br/>1.2 本設(shè)計(jì)的鋰離子電池能量均衡方法
    本文設(shè)計(jì)了一種鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)，通過(guò)比較每?jī)善瑔误w鋰離子電池之間電壓差值，對(duì)所比較的兩片單體鋰離子電池的電量進(jìn)行均衡，使鋰離子電池組中每片單體鋰離子電池的電量達(dá)到平衡狀態(tài)，避免每片單體鋰離子電池出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電狀態(tài)，延長(zhǎng)單體鋰離子電池的使用壽命，充分發(fā)揮單體鋰離子電池的性能，由此提高鋰離子電池組的整體性能。
    圖3是鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中包括信號(hào)驅(qū)動(dòng)單元、電壓比較單元、控制單元和均衡單元。各部分連接關(guān)系如圖3所示。

    在電路接通時(shí)，由于電容C1還未充電，經(jīng)過(guò)定時(shí)器A內(nèi)部電路，輸出端(3端口)輸出高電平，VCC通過(guò)電阻R1和電阻R2對(duì)電容C1充電，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)(高電平態(tài))。在暫穩(wěn)態(tài)期間，隨著電容C1的充電，經(jīng)過(guò)定時(shí)器A內(nèi)部電路，使得輸出端翻轉(zhuǎn)為低電平，電路發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，電路進(jìn)入另一暫穩(wěn)態(tài)（低電平態(tài)）。在此期間，隨著電容的放電，電路又一次自動(dòng)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。如此循環(huán)，得到矩形脈沖信號(hào)a，此信號(hào)a直接進(jìn)入控制單元，調(diào)整電阻R1、電阻R2和電容C1就可以調(diào)整矩形脈沖的時(shí)間常數(shù)?子，?子=0.7(R1+2R2)C1，由此調(diào)整矩形脈沖的寬度。
    圖5是電壓比較單元的電路，主要包括運(yùn)算放大器B。運(yùn)算放大器B的2個(gè)輸入端分別連接兩片單體鋰離子電池BT1 、BT2的輸出電壓，其中一個(gè)輸入端經(jīng)電容C3和電阻R5的并聯(lián)電路與運(yùn)算放大器B的輸出端相連。本實(shí)驗(yàn)采用的運(yùn)算放大器為L(zhǎng)M358PW[8]。

    當(dāng)單體鋰離子電池BT1的電壓比單體鋰離子電池BT2的電壓高時(shí)，在運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出高電平；當(dāng)BT1的電壓比BT2的電壓低時(shí)，在運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出低電平。此輸出端b輸出的電平與矩形脈沖信號(hào)a一起進(jìn)入控制單元。

    在實(shí)驗(yàn)中，場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q3受同或邏輯門(mén)P1輸出端c輸出的電平來(lái)控制通斷。當(dāng)輸出端c輸出為高電平時(shí)，Q1和Q3所在線路導(dǎo)通；當(dāng)輸出端c輸出為低電平時(shí)，Q1和Q3所在線路斷開(kāi)，場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q4由同或邏輯門(mén)P2輸出端d輸出的電平來(lái)控制通斷。當(dāng)輸出端d輸出為高電平時(shí)，Q2和Q4所在線路導(dǎo)通；當(dāng)輸出端d輸出為低電平時(shí)，Q2和Q4所在線路斷開(kāi)。
    開(kāi)始時(shí)，電池BT1電壓輸入電壓比較單元中運(yùn)算放大器B的同相輸入端，電池BT2電壓輸入電壓比較單元中運(yùn)算放大器B的反相輸入端，當(dāng)電池BT1電壓比電池BT2電壓高時(shí)，在運(yùn)算放大器B的輸出端b輸出高電平。在電路接通開(kāi)始時(shí)刻，電容C1還未充電，經(jīng)過(guò)定時(shí)器A內(nèi)部電路，輸出端a端輸出高電平，此時(shí)定時(shí)器A的輸出端a和運(yùn)算放大器B的輸出端b都輸出高電平，所以同或邏輯門(mén)P1輸出高電平c，非邏輯門(mén)P2輸出低電平d，場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q3所在線路導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q4所在線路斷開(kāi)，電池BT1與過(guò)渡電容C4構(gòu)成回路，電池BT1給過(guò)渡電容C4充電。
    到矩形脈沖的下半個(gè)周期時(shí)，定時(shí)器A的輸出端自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，輸出低電平a，運(yùn)算放大器B的輸出仍然為高電平b，所以同或邏輯門(mén)P1輸出低電平c，非邏輯門(mén)P2輸出高電平d，場(chǎng)效應(yīng)管Q1和Q3所在線路斷開(kāi)，場(chǎng)效應(yīng)管Q2和Q4所在線路導(dǎo)通，過(guò)渡電容C4與電池BT2構(gòu)成回路，過(guò)渡電容C4給電池BT2充電。這樣就使電池BT1中的能量轉(zhuǎn)移到電池BT2中，從而使電池BT1電壓降低，電池BT2電壓升高。依此循環(huán)，直到電池BT1電壓與電池BT2電壓的差值小于一個(gè)預(yù)先設(shè)定的微小電壓值時(shí)（本實(shí)驗(yàn)預(yù)先設(shè)定為1.0 mV），鋰離子電池均衡系統(tǒng)結(jié)束工作，電池BT1與電池BT2之間的能量轉(zhuǎn)移結(jié)束，由此完成了這兩個(gè)電池能量的均衡過(guò)程。
    同理，當(dāng)電池BT2電壓比電池BT1電壓高時(shí)，經(jīng)過(guò)上述均衡電路可實(shí)現(xiàn)電池BT2與電池BT1的能量均衡。
2 均衡實(shí)測(cè)結(jié)果
    電池能量均衡實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示，開(kāi)始時(shí)電池BT1電壓為3.985 V，電池BT2電壓為3.703 V，經(jīng)過(guò)90 min的電路均衡后，電池BT1電壓為3.833 V，電池BT2電壓為3.832 V，實(shí)現(xiàn)了兩片鋰離子電池的電壓均衡，兩片電池能量均衡后的電壓誤差可通過(guò)預(yù)先設(shè)置的誤差值來(lái)設(shè)定，本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的誤差值為1.0 mV。圖8是電池能量均衡實(shí)測(cè)曲線。通過(guò)實(shí)測(cè)曲線可得經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，BT1與BT2達(dá)到能量均衡。

    本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力鋰離子電池能量均衡系統(tǒng)能夠快速、精確地實(shí)現(xiàn)兩片有差異的單體鋰離子電池之間的能量均衡，將高電壓電池能量無(wú)損耗地轉(zhuǎn)移到低電壓電池中。電池組均衡的需求源于單體電池性能的不一致性，隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展浪潮，均衡控制技術(shù)將會(huì)得到快速發(fā)展，這將推動(dòng)動(dòng)力電池和電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的進(jìn)程，產(chǎn)生巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。
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