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1、蓄电池均衡维护系统王创社深圳市强能电气有限公司内容提要：蓄电池一般成组使用，由于制造和使用因素，蓄电池组中各个单体电池性能存在不一致性，而现有电 池使用和维护是对整组蓄电池进行的，由于不一致性的存在，导致蓄电池组中单体蓄电池在充电、放电过 程中存在过充电、欠充电和过放电现象，从而影响蓄电池组的使用寿命。本文针对电池组中各个单体电池 电压不一致问题，介绍了一种蓄电池均衡维护电路方案及设备，并介绍了由此设备组成的蓄电池均衡维护 系统，设备通过一种双向功率变换电路，使电池组中各个单体电池电压时刻保持均衡一致，防止蓄电池组 中单体出现过充电、欠充电和过放电，从而减缓电池极板腐蚀，预防蓄电池硫化，延长电
2、池组的使用寿命。关键词：蓄电池 均衡 双向变换器0前言随着信息、能源、交通、电子技术的快速发展，蓄电池目前已被广泛地应用于邮电、通信、 电力、电动汽车、交通、船舶、航空航天、应急照明等诸多领域。我国是全球蓄电池的产销大国，废旧电池所带来的环境污染问题非常突出，国内每年报 废的蓄电池达1.2亿只以上，一般中小城市达10万只以上，大中型城市则达几十万乃至数百 万只，而废旧蓄电池的回收工作基本处于无序状态，大量的硫酸被任意倒置，废铅酸电池也 常常因为处理不当或保管不当而随意遗弃。蓄电池的过早报废不仅严重浪费能源资源，而且 严重污染了生态环境，危害人们的身体健康。蓄电池实际上是一个“活”的物体，有一定
3、的寿命，从一诞生就时刻需要人们的维护照 料，否则就会性能下降，寿命说短。蓄电池使用过程中经过精心的维护保养，就能充分发挥 蓄电池的性能，使其寿命达到或接近理论寿命。蓄电池组的使用寿命受多种因素影响，如果 电池组寿命低于单体平均寿命的一半以下，可以推断都是由于使用技术不当造成的，首要原 因当推过充电、欠充电和过放电导致单体电池提前失效。过充电会使铅酸电池极板腐蚀 加速，脱落、变形，使蓄电池失水甚至干枯，并使蓄电池发热甚至出现热失控，从而降低电 池性能和寿命。过放电或充电不足，会导致电池内部有大量的硫酸铅被吸附到蓄电池的阴极 表面，使蓄电池的内阻变大，充放电性能变差，甚至个别电池因深度放电引起极性
4、颠倒，导 致了电池组的使用寿命严重下降。蓄电池的实际使用往往需要多个单节蓄电池串连起来才能达到所需的电压值。从技术上 讲现有蓄电池组使用维护存在一些缺陷，都是用充电机对一组串联的蓄电池进行整组充电， 放电是整组一起放电，并不是对每个单节电池单独控制充放电的，这样，在浮充状态下，即 使电池组浮充电压严格按照要求电压设定，并根据温度对浮充电压进行补偿，由于单节蓄电 池的内阻容量等性能不一致，导致各个单节蓄电池的实际承受电压与要求的浮充电压发生偏 离，造成部分电池充电电压过高处于过充状态，部分电池充电电压过低处于欠充状态。多次 充放电后，单体电池的差异进一步放大，单体差异造成电池组中的任何一节电池不
5、是处于过 充就是欠充，进一步导致单体电池性能恶化，形成恶性循环，降低电池组使用寿命，而且单 体电池恶化造成整组电池在“充满”时的充电电量低于标称值，降低电池组的有效存储电量。铅酸蓄电池组充电管理的定期（720h）均衡充电，目的是对蓄电池组中的性能落后蓄电 池进行补偿性充电，但这种充电方式往往把蓄电池组中好的蓄电池过充电了。并不能有效解 决蓄电池组均衡为题。在电池组放电时，虽然可以精确设置电池组总的放电截止电压，但由于电池组中各个单 节电池的不一致，造成放电后期，有的单节电池被过放电，而有的电池的电量并没有放完，使电池组的有效使用电量降低。过充电会加速蓄电池极板的腐蚀速度等，降低蓄电池的使用寿命
6、；充电不足和过放电会 造成蓄电池硫化，降低蓄电池性能。为了能够最大限度的使用蓄电池组的容量，延长电池组 的使用寿命，就必须对蓄电池组进行有效的均衡管理，必须使电池组中的所有电池在充电时能 够充满电而不过充电，浮充时每节电池的电压精确等于设计浮充电压，放电时能够放完电而 不过放电，并且电池组在充放电使用过程中一旦某节电池出现过充电和过放电现象，能够及 时纠正，防止电池浮充时因充电不足出现硫化现象，一旦电池组中某节电池出现硫化内阻增 大能够及时修复。1电池组的均衡方案分析已经有许多对于电池组均衡管理技术的相关研究，其中有的通过电阻放电将高电压电池 的电能损耗掉，有的则是采用电能的多路输出方式，将高
7、电压电池多余的能量传送给电池组 或者传递给相邻的电池，有的方案其电路组成和控制结构非常复杂，不易实现并且维护不方 便，因而使用面较窄。要实现电池组的有效均衡维护，均衡器是电池管理系统的核心部件，离开均衡器，管理 系统即使得到了电池组测量数据，也无所作为，也就无所谓管理。均衡管理方案主要有以下几种：（1）串联型与并联型，串联型是指在监控单体电压变化的基础上，通过串联在电池组中 的开关，在满足一定条件时把单体电池的充电或负载回路断开，使电池电压均衡。如果蓄电 池组使用时电流很大而且双极性变化，串联型的实施难度极大。并联型并不断开电池的工作 回路，而是给每只电池各增加一个并联旁路装置，来实现电池电压
8、均衡。（2）能耗型与转移型，能耗型指给各单体电池提供并联电流支路，将电压过高的单体电 池通过分流消耗电能达到均衡目的。与能耗不同，转移型是依据高频开关电源（SMPS）的原理 和技术，通过电压变换器将单体之间的偏差能量馈送回电池组或组中某些单体。（3）静态型与动态型，静态型均衡包括两种，一种是充电均衡，充电过程后期，单体电 池电压达到或超过截止电压时，减小单体电流，限制单体电压不高于充电截止电压；另一种 是放电均衡，电池组输出功率时，通过补充电能限制单体电压不低于预设的放电终止电压。 动态均衡不论在充电状态、放电状态，还是浮置静置状态，都可以通过能量转换的方法实现 组中单体电压的平衡，使每节电池
9、实时保持相近的荷电程度。充电均衡的可以防止过充电，而在放电使用中带来的负面影响是：不加充电均衡时，容 量小的电池被一定程度过充，组内任何单体过放以前，电池组输出电量略高于单体最小容量； 使用充电均衡时，小容量电池没有过充，能放出的电量小于不用均衡器时轻度过充电所能释 放的电能，使得该单体电池放电时间更短，过放的可能性就更大了。另外，当电池管理以电 池组总电压降低到一定程度为依据减小或停止输出功率时，由于大容量电池因充电均衡被充 入更多电能而表现出较高的平台电压，淹没和淡化了小容量电池的电压跌落，将出现组电压 足够高，而小容量单体已经过放。放电均衡与充电均衡情形相似，大容量浅充足放，小容量 过充
10、足放，加速单体性能差异性变化的结果是相同的，都不能形成真正实用的产品。只有动 态均衡集中了两种均衡的优点，尽管单体之间初始容量有差异，工作中却能保证相对的充放 电强度和深度的一致性，渐进达到共同的寿命终点。（4）单向型和双向型，单向型是均衡工作时单节电池电量只能流出或只能流进，而双向 型使用双向变换器，输入输出方向动态调整。比较而言，双向型更具优势，基于均衡效率考 虑，对于单向型均衡器，使用自组高压到单体低压的变换器适用于放电均衡，使用自单体低 压到组高压的逆变器适合充电均衡。（5）集中型与分散型，当把上述单向和双向变换器集中一起来向蓄电池整组充电或放 电，就是集中型均衡，优点是变换器成本和技
11、术复杂度大幅降低，但缺点是均衡电路外部连 线复杂了，均衡电路到各单体之间的导线长度和形状不同，电阻有差异，均衡误差大，而且 均衡电路与电池组之间的至少n+1条功率导线的布线复杂。集中式可应用于中小功率、以及 电池组无振动或移动的场合。使用单只电容器循环均衡每只单体的方法即飞渡电容法，也属于集中式。(6)渐进型与并行型，渐进型有两种，一种是每两只邻近的单体实现均衡，进而达到所 有单体之间的均衡，问题是如果组中高压单体与低压单体之间间隔数只单体，从高压单体导 出能量给低压单体，需要多只级联的变换器同时工作，到达目的单体的能量转换效率极低， 极端情况与能耗型变换器接近；另一种是对电池电压进行巡检，每
12、次只处理最高电压电池或 最低电压电池，均衡速度较慢。并行型是从高压单体直接把能量变换到低压单体，任何一个 高压单体都可以直接传递能量到任何一个低压单体，具有最佳的均衡效率和均衡速度。从以上分析可以看出，最优秀的均衡方案是：均衡电路分散并联在每个单体电池上，动 态双向并行将高电压电池的能量转移到低电压电池。均衡所采用的电源变换器必须采用最新 技术和器件，如同步整流、软开关等，以实现高的效率和可靠性。均衡控制方案应当把电池电化学特性、电源技术、控制技术相结合，不能仅依据简单公 式计算，应避免往复均衡，造成电池能源的浪费。均衡系统的发展方向是低成本、高功率密 度、高效率和高可靠性。2蓄电池均衡维护模
13、块原理本文提出了一种以高频脉冲方式工作的分散、并联、动态、双向、并行、能量转移型均 衡维护方案，根据这一方案设计了 一种蓄电池均衡维护模块BBM( BATERY BALANCE MAINTAINER)。该方案电路长期在线以高频脉冲方式工作，不但能够实现电池组中各个单节 电池电压的动态均衡，而且能够防止并修复电池硫化。电路采用谐振技术和同步整流技术， 获得高可靠性和最佳工作效率。图1为BBM电路原理框图。图1均衡维护模块原理框图均衡控制线BBM和连接电池后，系统内部电路即开始工作，电路以极高的效率微小的损耗、时刻以 高频脉冲方式对电池进行在线活化养护，一边检测其所连接的电池电压，一边通过均衡线检
14、 测其他电池电压，得出电池组平均电压，将电池电压和电池组平均电压比较，如果电池电压 大于平均电压，模块内DC/DC电路将电池电量通过均衡线并行传递到其它电压低的电池中， 如果电池电压低于平均电压，则由其它电压高的电池通过均衡线向电池充电，实现电压均衡。使用BBM，使电池电量在各个单节电池中动态流动，可以使所有的电池充电时充满而不 过充、放电时放完而不过放，实现各个单节电池的电量共享，实现电池容量的最大化利用， 使电池组每节电池性能一致并处于最佳工作状态。充电过程中，对每个单节电池的充电电流，根据电压的高低进行再分配，直至每个不同 的电池被完全均衡充满，同时避免充电后期出现的电池过压和欠充，消除
15、了充电过压对电池 造成的极板腐蚀加速等不利因素，消除了造成蓄电池硫化的欠充电因素。该过程相对充放电 完全独立，和原来没有接均衡维护模块一样，所以原配的充电器还是一样能用，没有必要更 换任何专用充电器。放电过程中，对每个单节电池的放电电流，根据电压的高低进行调节，使电压高的电池 多放电，电压低的电池少放电，同时电池组中电压高的电池电量向电压低的电池并行转移，使 每节蓄电池电压均衡一致，避免单节电池的过放电，从而避免了因过放电而造成的电池硫化， 使串联电池回路总体蓄能的释放被按照各自电池的电量比例分摊，而不再取决于落后电池的 性能，充分利用了电池组的总容量而不再取决于最差电池的容量。在电池组的充电
16、放电过程中，一旦出现电压不平衡，出现个别电池的过充电或过放电， BBM不但能在充放电过程中及时均衡电池电压，及时纠正电池过充、欠充、过放现象，降低 过充电或过放电的程度，而且能在充放电结束时，继续对电池进行均衡保养维护，直到电池 电压均衡一致。BBM具有四个引出端子，两个引出端子用于连接蓄电池的正极和负极，另外两个引出端 子用于连接两条均衡线，通过简单的两条均衡线构成电池电压信号的传递网络和电量流动网 络。图2是BBM和电池组连接的均衡维护系统接线示意图。均衡线1均衡线2电池1电池2电池n图2均衡维护模块BBM接线示意图不同型号的BBM分别可用于由单节2V铅酸电池组成的电池组和由单节12V电池组成的电 池组中，电池组的电池节数理论上没有限制，可以用于数百节电池串联组成的高压电池组。 例如通讯基站经常通常使用的24节2V电池串联的48V电池组、120节2V电池串联组成的高 压直流240V电池
