双向同步整流技术在转移式实时电池均衡器中的研究与应用

周宝林, 周全

（1. 大庆市交通运输局，黑龙江 大庆 163311；2. 上海铁路局上海车辆段，上海 200040）

1 研究背景

蓄电池组是各种储能、动力电池的核心器件，成组初期就存在电压、容量、内阻、自放电率等微小差异。经过若干次充放电循环后，加之电池间温度的差异，初期的微小差异逐渐变大，最终造成电池的一致性变差，而且电压和容量的差异表现最为明显。由于电池衰减问题的发生，电池在使用上的表现为充电时很快就充满，放电时很快就放完，电池存不住电。如果没有电池管理系统，衰减电池很容易发生热失控故障，甚至事故，但电池管理系统对改善电池组一致性问题的作用有限。电池均衡器，特别是转移式电池均衡器的出现和应用有效改善了这种状况，但是普通转移式电池均衡器的均衡电流和均衡效率受功率器件效率和散热环境等的限制，最大均衡电流和均衡效率提高到一定程度时就很难再继续提高，制约了这种电池均衡器性能的进一步提升。

2 方案的提出

在传统转移式电池均衡器的设计上，通常采用低导通电阻的 MOS 场效应管和低导通压降的肖特基二极管来实现电量的转移。以大电流肖特基二极管为例，在散热良好的情况下，工作电流为 5 A 时的导通压降约为 0.4～0.6 V，二极管的峰值功耗达2～3 W 左右，需要合适的散热片才能保证二极管不因温度过高而被烧毁。同时，二极管温度的升高会使均衡器本身温度升高，继而会传导到电池组，影响电池组的散热，因此这种结构不适合长时间、连续大电流的均衡情况。如果将肖特基二极管更换为受控的低导通电阻的 MOS 场效应管，即同步整流技术，则不仅均衡电流可以大幅度提高，而且热损耗很低，那么就显著提高了均衡效率。但是，这种方案控制难度很大。并且，通常国外公司开发的同步整流芯片都配备专用同步整流 MOS 场效应管。这无疑增加了很多成本，将均衡器的成本推高了很多。

3 双向同步整流技术方案

在转移式电池均衡器上，通常需要使用 2 只MOS 场效应管和 2 个二极管相互作用，实现电池间的双向均衡，而在前面所述的同步整流方案中，相当于用 MOS 场效应管代替图 1 中的二极管 D1和 D2，再通过同步整流芯片控制，因此控制难度增加，系统复杂性提高，可靠性降低。

本文的技术方案是：不增加 MOS 场效应管，利用原有的 2 只 MOS 场效应管 Q1 和 Q2 进行功能自动互换，实现同步整流功能[1]。新的换能结构如图 2 所示。

图1 基本换能电路结构示意图

图2 同步整流换能电路结构示意图

采用这种结构后，2 只场效应管必须执行严格的开关规则，即 Q1 开启时 Q2 必须关闭，Q2 开启时 Q1 必须关闭，它们不能同时开启，并且这种开启和关闭必须在脉冲控制信号作用下执行。具体的工作原理是：假设电池 B1 的电压高于电池 B2 的电压，则在脉冲驱动信号的负半周期，Q1 导通，Q2 截止，电池 B1 的部分电量通过 Q1 缓存到电感L 中，此时，电感 L 的作用是蓄电；在脉冲驱动信号的正半周期，Q1 截止，Q2 导通，缓存在电感 L中的电量利用电感特性通过 Q2 向电池 B2 充电，在连续脉冲的作用下，实现电池 B1 的部分电量转移输送到电池 B2 中。电池 B1 通过适当的放电，电压逐渐降低，电池 B2 通过适当的充电，电压逐渐升高。当 2 只电池的电压相同时，Q1 驱动信号变为高电平，Q2 驱动信号变为低电平，Q1 和Q2均处于截止状态，停止执行均衡动作，系统进入微功耗待机检测状态。

如果电池 B 2 的电压高于电池 B1 的电压，均衡过程与上述情况正好相反，不再赘述。在上述均衡过程中，换能电路中的开关管 Q1 和 Q2，不仅执行开关管功能，而且兼顾执行同步整流管功能。当Q1 执行开关管功能时，Q2 执行同步整流管功能；相反，当 Q2 执行开关管功能时，Q1 执行同步整流管功能。这种执行同步整流的方式是双向的，自动切换，故称双向同步整流。

4 双向同步整流技术特点

4.1 压差与均衡电流关系

传统转移式电池均衡器的均衡电流通常为固定值，即只有电压或电压差达到一定量值时才启动均衡，驱动信号的占空比为固定值。这种设计能简化电路设计难度，但却牺牲了有效均衡时间，导致均衡效率降低。

本文中所述相对电压差控制均衡电流技术，加之双向同步整流技术，可大幅度提高均衡电流，加快电池的均衡速度，明显降低电池间的电压差，对于控制“落后”电池的过充电和过放电，以及极端环境下的“热失控”具有非常大的优势。这种电池均衡技术是通过均衡电压实现快速 SOC 均衡[2]，可以将相邻电池间的静态电压差控制在 ±2 mV 以内。在设备的最大安全均衡电流下，设计样机的均衡电流与相邻电池的相对电压差参考计算公式I=K·U，其中K是一个常量，约为 0.077 A/mV，U为相邻电池的相对电压差。公式表明，相邻电池的相对电压差越大，均衡电流就越大。例如，电压差在 40 mV 时，可实现均衡电流 3 A 左右。特别是，当电池组进入充电结束后的恢复期和短暂（或长时间）放电后的恢复期时，这种低压差、大均衡电流对于低电压单体电池，能更加快速地进行均衡，防止衰减电池进入极端状态。当均衡电流增大到设备的设计极限时将不再增大，均衡器进入过热限流自动保护状态。

4.2 驱动信号占空比

由于均衡效率和散热环境的限制，传统转移式电池均衡器的 MOS 场效应管（以 NMOS 管为例）的驱动信号占空比大多控制在 45 % 左右，限制了均衡电流的大小，降低了均衡速度，特别是在需要较高均衡电流的时候无法提供更大的均衡电流。

本文所述均衡器的占空比范围很宽，N-MOS场效应管驱动信号正占空比通常位于 50 %～60 %之间，P-MOS 场效应管驱动信号负占空比通常位于 50 %～60 % 之间，因而可以实现更大范围的均衡电流。

4.3 驱动信号波形

以 2 V 铅酸蓄电池均衡器为例，结合图 2 均衡示意图，展示开关管在不同均衡电流下的实测驱动信号波形、占空比情况（见图 3）。通过 2 组不同均衡电流下的开关管驱动信号波形，能够明显地看到：⑴ 开关管和同步整流管的驱动信号非常同步且相似，严格执行一个 MOS 场效应管开启、另一个 MOS 场效应管关闭的动作；⑵ 2 个驱动信号占空比随着均衡电流的调整发生着明显的变化。

4.4 输出电流与输入电流关系

图3 驱动信号波形

续图3 驱动信号波形

这种电池均衡器工作时，从高电压电池吸入电量，通过均衡器转换输出到低压电池的两端，在大电流均衡的情况下仍能实现较高的输出/输入比值。比值越大，表示均衡效率越高。由如表 1 所示数据可知，这种电池均衡器在均衡电流和均衡效率方面表现都很优秀[3]。

表1 2 V 铅酸蓄电池均衡器样机实测数据

从表 1 中的数据可以发现，随着均衡电流的不断增大，输出/输入电流比逐渐减小。这主要是由于大均衡电流下器件和线路的损耗逐渐增大所引起的，如 MOS 场效应管的导通损耗、电感的直流电阻损耗、磁芯涡流损耗，以及连接线电阻损耗。这些损耗都不同程度的存在，并最终转换为热量损耗掉。

在锂电池组均衡方面，这种均衡器的表现更加优秀，特别是均衡效率更高，如在大于 5 A 均衡电流情况下，其均衡效率比 2 V 铅酸蓄电池均衡器的约高 5 %～10 %（具体数据略）。

5 均衡实例及效果

采用 12 只串联 2 V 100 Ah 铅酸蓄电池组进行充放电均衡实验，共计使用 11 个均衡器模块。第1 阶段，测量完每只电池的电压后，先连接电池均衡器，再充电（充电初期采用 10 A 恒流充电，末期恒压充电，充电限压 12×2.4 V = 28.8 V）；第2 阶段，电池组以 10 A 恒电流放电到终止电压为12×1.8 V = 21.6 V。实测静态电压和充、放电结束后的电压数据详见表 2。

表2 实验电池组电压数据 mV

充电期间，采用钳形电流表间歇性实测最大均衡电流约 7 A，相应单元均衡模块的开关管和电感仅有少量的温升，几乎可以忽略不计。无论是均衡充电结束，还是均衡放电结束，所有电池的电压都表现出良好的一致性，容量最小的电池电压表现稳定，没有出现电压快速上升和快速下降的情况，更没有出现过充电和过放电情况。最大电压差的情况表现也非常好。初始状态时最大电压差达到了 78 mV，但均衡充电结束和放电均衡结束时的最大电压差只有 5 mV 和 18 mV。这是因为，这种电池均衡器的介入明显改变了每只电池的工作电流。充电期间，容量最小的电池充电电流最小，低于平均充电电流，降低了其电压上升速度；容量相对最大电池的充电电流则高于平均充电电流，提高了其电压上升速度：实现了电压的同步上升。放电期间，容量最小的电池放电电流最小，低于平均放电电流（不足部分由其它容量大的电池提供），降低了其电压下降速度；容量相对最大的电池的放电电流则高于平均放电电流（多出部分提供给其他容量相对较小的电池，容量得到充分释放和利用），加快了其电压下降速度：实现电压的同步下降。

6 结论

转移式电池均衡器加入双向同步整流技术后，最重要的 2 个指标（均衡电流和均衡效率）得到大幅度提升，表现为均衡速度更快，大电流均衡时的设备温升更低，衰减电池的温升明显下降，因此这种电池均衡器能有效预防大容量、大功率动力电池组或（阶梯利用）储能电池组中衰减电池的过充电、过放电问题和热失控故障的发生，对保障电池组运行稳定和运行安全具有重要意义。

[1] 周宝林, 周全. 一种具有同步整流功能的转移式实时电池均衡器：201710799424.2 [P].

[2] 周宝林, 周全. 转移式电池均衡技术对电池电压与荷电量影响的研究[J]. 蓄电池, 2015(3)：123-125.

[3] 孙金磊, 逯仁贵, 魏国, 等. 一种电动汽车串联电池组主动均衡器的设计和实现[J]. 电机与控制学报, 2013, 17(10)：33-38.