大容量电池组在线均衡器设计

马齐林，汉，男，1983年9月，湖南省长沙市，高级工程师，本科，研究方向：电力电子，
自动控制及车载储能系统
大容量电池组在线均衡器设计

马齐林
北京北交思远科技发展有限公司长沙分公司 410100

1.摘要：电池组的一致性是电池串联成组最为关注的问题之一。无论哪种电池类
型，其单体电池的电压和容量都无法满足电动汽车的需求，为了达到一定的电压、
功率和能量等级，必须通过串并联的方式组成电池组为电动汽车提供能量。然而
实践发现，即使电池成组经过了严格的筛选，在实际使用时，电池组在容量利用、
安全性以及寿命等方面的性能依然远不及单只电池，其核心问题在于电池组的不
一致性。由于不一致性的存在，电池成组应用存在类似于木桶短板效应的问题；
同时不一致性对电池组的寿命和可靠度具有重要影响，电池在线均衡问题亟待解
决。
针对单体电池的不一致性，设计了一种可靠性高且支持大容量长串数电池组的均
衡系统，该系统具有均衡效率高、均衡模块采用CAN通讯与电池主管理控制器连
接电路成本低、体积小、灵活扩展等特点。
关键词：大容量 均衡器
2．均衡系统总体设计
均衡系统采用模块化的设计思路，如图所示。主控模块为电池管理主控制器，
主要功能是收集各个从控模块采集的数据，电池剩余容量（SOC）的计算，系统
电压、电流的采集，系统逻辑控制及完成与车辆上其他设备之间的通信。从控模
块，主要完成电池箱内单体电池电压，温度的采集和均衡功能。
电压其他电池管理主控制器均衡模块1均衡模块2均衡模块n电池箱1电池箱2电池箱n……CAN总线…………总+总-车载均衡系统主接触器均衡控制电
压
其

他

均
衡
控
制

电
压
其

他

均
衡
控
制

图 1 均衡系统整体结构
均衡系统工作过程中均衡模块通过检测电路采集电池组信息，对电池组电压
进行，然后完成系统的均衡控制。

图 2 均衡模块功能图
均衡模块主要完成的功能有：
➢ 电池电压的检测；
➢ 电池温度的检测；
➢ 电池组均衡控制；
➢ 与主模块进行通信；
根据均衡系统的功能需要，设计均衡模块硬件电路的框架如下图所示：

均衡电路
电池组
分流器
接
触
器
控
制

电
压
检
测

温
度
检
测

电
流
检
测

车载24V电源
CAN总线

电池正
电池负
均衡控制RS232通信风
机
控
制
热管理CAN模块
电压检测
模块
隔离

温度检测
模块
隔离存储器硬件看门狗

指示灯
电源变换
供电
电源

RS-232模块

MCU

Handset/PC

其他车载设备
隔离隔离均衡控制隔离电流检测模块隔离

图 3 均衡模块电路框架
3. 均衡电路设计
3.1 被动式均衡设计
被动式均衡设计的关键问题之一是均衡电流受到限制。通过电路设计并进行
测试，验证电阻发热情况。均衡部分基本电路结构参见图4。
综合考虑车辆空间和均衡电流，电阻参数：
电阻额定功率：1瓦 电阻阻值：100欧姆

图 4 被动式均衡电路
测试条件如下：
电池电压：3.7V
环境温度：65℃
BMS状态：壳体封闭状态
温度测量点：均衡电路表面
温度测量方式：温度探头
测试完成判据：连续10min温度无增加
电池温升：11℃。这几乎达到了电动汽车使用的极限。通过与上述车辆匹配
考虑，被动式均衡方案可以用于100Ah以下的乘用车，但是不适用于容量再大的
商用车，除非电池的一致性和电池系统的一致性做的更好。
3.2 主动式均衡设计
➢ 主动式均衡电路拓扑选择
基于容量和能量的均衡控制策略与基于电压一致性的均衡电路存在差异，在
均衡时，可能并非对电压最低的电池进行充电或者对电压最高的电池进行放电，
而是基于需要均衡的容量决定需要均衡的电池，所以开关电容等基于电压的均衡
电路拓扑并不适用。大容量商用车电池的特点是电池放置较为分散，所以通过能
量在本箱内电池互倒的方式并不能解决箱与箱之间电池不一致的问题，所以本报
告采用车辆辅助12V/24V电池作为公共直流母线的方式实现电池组的均衡。基本
电路拓扑参见图5。

隔离DC/DC
恒流源开关整列车载12V/24V电池箱1

电池均衡模块1

隔离DC/DC
恒流源开关整列电池箱N

电池均衡模块N

图 1 主动式均衡电路拓扑
该电路拓扑主要包括3个部分：
1) 前端隔离DC/DC：出于安全的考虑，电动汽车上动力电池与车载辅助电
池之间属于隔离的系统，因此，均衡设备需要满足该要求。该DC/DC主要实现隔
离功能，工作在开环状态，以固定的占空比和频率工作，输出电压随供电电源的
变化而变化。
2) 中间恒流源模块：由于电池均衡过程中需要控制均衡电流的大小，因此
在前端DC/DC之后增加恒流源模块。该模块支持宽电压输入，解决前端输出电压
不稳的问题，输出为恒流限压工作模式，可防止电池过充电。
3) 开关整列：如果给每个电池提供一个独立的均衡电源，则一方面均衡器
的体积、成本等都很难满足车辆空间的要求，另一方面并非所有电池都需要均衡，
所以每个电池配置一个均衡电源利用率也较低，因此本方案设计采用一个均衡电
源为多个电池实施均衡的方案，确定那只电池需要进行均衡时，将对应的电池通
过开关整列将电池与恒流源连接，实施均衡。均衡完毕后，只需要调整开关整列，
切入下一只需要均衡的电池，即可实施另一只电池的维护。
➢ 隔离DC/DC的设计
隔离DC/DC 的电路原理图参见下图。

图 2 隔离DC/DC电路原理图
主电路部分：采用单端正激电路。详细原理参见附件A。变压器的选择原边
采用2个绕组，分别对应12V和24V，满足不同辅助电平要求。

图7 驱动电源开关管脉冲和电压波形
驱动电路部分：本电路通过调整电阻和电容的时间常数，实现开关频率和占
空比的调整。然后利用反相器并联的方式增加驱动能力和提高波形质量，最后采
用推挽式电路再次提高驱动能力和电平变换，驱动MOSFET开通和关断，实现能
量变换。开关两侧电压波形及驱动脉冲波形参见图7。
➢ 恒流源设计
图 8 恒流源原理图
恒流源的设计采用非隔离BUCK降压电路，利用Linear的集成电源芯片
LT1050，开关频率500kHz，输入电压范围8.2V~20V。该芯片可实现恒压恒流输
出控制，恒流源电路原理图参见图8。通过调整R1可实现输出电流的调整，输
出电流等于4930/R1,A输出电压限制值由R7和R8对输出电压分压后与2.465V
比较得到。当分压比低于2.465V，则工作在恒流模式，反之则工作在恒压模式。
输出D3采用肖特基二极管，一方面防止电池电压反灌入恒流源前端，另一方面
降低线路压降。Q2采用与恒流源相同的电压进行驱动，防止系统下电后电池被
R7和R8放电。
➢ 开关阵列设计

Cell1
Cell2
Cell3
Cell4
Cell5
Cell6
Cell7
Cell8
Cell9
Cell10
Cell11
AQW212

S1
S2
S3
S4
S5
S6
S7
S8
S9
S10
S11
S12
S13

S14

S15
S16

恒
流
源

正

负
图 93 开关阵列
开关阵列采用上图所示的电路。基本原理是：当需要对电池1进行均衡的时候，
闭合开关S1和S2，当需要对电池2进行均衡的时候，闭合开关S2，S3。可见
S2可以被电池1和电池2复用，从而减少开关数量。但是当电池1接入的时候
S2后端为正极，而S2接入的时候S2后端为负极，所以不能直接与恒流源接口，
需要S13~S16对电池极性进行调整。当基数编号电池需要进行均衡的时候，切入
电池对应的开关外，需要断开S14和S15，闭合S13和S16，反之则断开S13和
S16，闭合S14和S15。
4.总结
电池在线均衡系统一方面要通过合理的优化电池系统设计，特别是热场分布一致
性设计，来缓解电池之间差异性的退化速度，另一方面需要选择高效的均衡策略，
提高均衡控制系统的高效性和降低均衡总容量；最后能依据电池技术的现状、电
动汽车和储能系统的实际运行状况，合理的选择均衡系统的均衡电流。电池均衡
系统通过对电池组内的个别存在差异性的电池进行额外的充电或者放电，改变电
池之间的SOC状态，实现优化匹配，提高电池组的一致性，从而提升电池组的容
量和能量利用率。