现代有轨电车动力电池均衡控制管理方法

（1）集中式均衡与分布式均衡 按均衡电路的拓扑结构分类，可以分为集中式均衡方案和分布式均衡方案。集中式均衡方案是指整个电池组共用一个均衡器，通过逆变分压等技术对电池组能量进行分配，以实现单体电池与电池组之间的能量均衡。而分布式均衡方案中，均衡模块是由个别电池专用。

图4-33所示为一个典型的集中式均衡拓扑结构。该结构中，电池组内所有的电池都可以利用同一个均衡器（均衡电容）进行均衡操作。

图4-34为一种典型的分布式电池均衡拓扑结构。该结构通过在每个电池上并联一个旁路电阻，并利用一个电子开关控制均衡操作。

比较以上两种均衡方式，集中式均衡方案能迅速地集整个电池组之力为待均衡的个别电池转移能量，所配置的公用均衡器的性能较好，故均衡速度较快，而且从整体来说，集中式的均衡模块的体积也比分散式的（总和）更小；然而，集中式均衡方案中，各个电池之间形成竞争关系，多个电池的均衡操作不能并行地进行，而且各电池与均衡器之间需要大量的线束连接。可见，集中式均衡方案不太适用于电池数量较多的电池组。

（2）放电均衡、充电均衡与双向均衡 按照均衡的作用过程不同，可以将均衡控制管理分为放电均衡、充电均衡和双向均衡。放电均衡是指在放电过程中实现各单体电池间的均衡，以保证放电过程中能够将电池组中每个电池的剩余容量放至0，而不会出现有的电池已放电完全而有的电池尚有电量的情况。放电完全之后，用恒定电流以串联充电的方式对电池组进行充电，直到电池组中出现任意一个电池的剩余容量达到100%时结束充电。整个过程可以用图4-35来表示。

图4-33 一个典型的集中式均衡拓扑结构

图4-34 一种典型的分布式电池均衡拓扑结构

图4-35 放电均衡方式

从图4-35可以看出，放电均衡方式可以保证每一次充进电池的电量都可以完全释放出来。但在充电过程中，根据“短板原理”，只能以最小容量的电池为截止上限。在充电过程中就并不能完全利用电池组的容量。

放电均衡的缺点是能量损耗过多，不便于在任意时刻开始进行（例如在电池剩余容量还比较多的情况下，进行放电均衡代价过大）；而且，放电均衡需要把电池剩余容量放空，从而提高了放电深度，有可能影响电池的循环寿命。

充电均衡是指在充电过程中采用上对齐均衡充电方式实现各个单体电池间的均衡，以保证充电过程中能够将电池组中每个电池的容量都充至100%，如图4-36所示。

图4-36 充电均衡方式

充电均衡方式可以保证每一个单体电池的实际容量在充电过程中都发挥出功效。但充电均衡方式对放电过程没有做任何控制，其放电过程满足木桶原理，整个电池组的放电容量取决于容量最小的电池。与放电均衡相反，充电均衡对于在电池组处于任何荷电状态前提下都适用。(www.xing528.com)

双向均衡方案则是综合了放电均衡方案和充电均衡方案两者的优点，在充电和放电过程中都引入均衡控制，这样既能保证每一个电池都能放电到SOC为0，又能保证每一个电池都充电到SOC为100%。由于加入了放电均衡过程，这种方案同样存在能量损耗过多，容易损害电池等问题。但这种方法有利于对电池的最大容量进行评估（即有助于得到每个电池的最大容量），可以在对车辆进行保养的过程中，利用这种方法来对电池的健康状况进行诊断。

（3）耗散型均衡与非耗散型均衡 按照在均衡过程中，是否努力尝试按照对电池组的能量进行保护，可以将均衡控制方案分为耗散型均衡和非耗散型均衡两种。

1）耗散型均衡。耗散型均衡方案指利用并联电阻等方式将电池组中荷电状态较多的电池的能量消耗掉，直到与组内其他电池达到均衡。该方法的实现过程如下：定时检测各个单体电池的电压，当某些单体电池的电压超过电池组平均电压时，接通这些高能电池的并联电阻，使它们的一部分能量消耗在并联电阻上，直到它们的电压值等于电池组平均电压。

耗散型均衡方案控制逻辑简单，硬件上容易实现，成本较低，是早期均衡控制最常用的方案。但是，这种方法就是以消耗电池组的部分能量为实施手段的，均衡过程一般在充电过程中完成，对容量低的单体电池不能补充电量，存在能量浪费和增加热管理系统负荷的问题，对于车辆而言，存在通风不好导致过热的安全隐患。

能量耗散型均衡充电电路一般又分恒定分流电阻均衡充电电路、开关控制分流电阻均衡充电电路两类，其优缺点如表4-14所示。

表4-14 两种能量耗散型均衡充电电路的优缺点

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2）非耗散型均衡。非耗散型均衡（也称无损均衡）是指利用中间储能元件和一系列的开关元件，将电池组中荷电状态较高的电池的能量转移到荷电状态较低的电池中去，以达到均衡目的的方案。无损均衡方案用到的中间储能元件一般有电容和电感两种。无损均衡正好可以弥补耗散型均衡的缺点，但它也存在着控制逻辑电路复杂等方面的缺点，且由于器件损耗，非耗散型均衡并不能做到真正的无损。

非能量耗散型电路的耗能相对于能量耗散型电路小很多，但电路结构相对复杂，可分为能量转换式均衡和能量转移式均衡两种方式。

①能量转换式均衡。能量转换式均衡是通过开关信号，将电池组整体能量对单体电池进行能量补充，或者将单体电池能量向整体电池组进行能量转换。其中单体能量向整体能量转换，一般都是在电池组充电过程中进行。该电路是通过检测各个单体电池的电压值，当单体电池电压达到一定值时，均衡模块开始工作。把单体电池中的充电电流进行分流从而降低充电电压，分出的电流经模块转换把能量反馈回充电总线，达到均衡的目的。还有的能量转换式均衡可以通过续流电感，完成单体到电池组的能量转换。

电池组整体能量向单体转换也称为补充式均衡，即在充电过程首先通过主充电模块对电池组进行充电，电压检测电路对每个单体电池进行监控。当任一单体电池的电压过高，主充电电路就会关闭，然后补充式均衡充电模块开始对电池组充电。通过优化设计，均衡模块中充电电压经过一个独立的DC/DC变流器和一个同轴线圈变压器，给每个单体电池上增加相同的次绕组。这样，单体电压高的电池从辅助充电电路上得到的能量少，而单体电压低的电池从辅助充电器上得到的能量多，从而达到均衡的目的。

此方式的问题在于次级绕组的一致性难以控制，即使副边绕组匝数完全相同，考虑到变压器漏感以及副边绕组之间的互感，单体电池也不一定获得相同的充电电压。同时，同轴线圈也存在一定的能量耗散，并且这种方式的均衡只有充电均衡，对于放电状态的不均衡无法起作用。

②能量转移式均衡。能量转移式均衡是利用电感或电容等储能元件，把电池组中容量高的单体电池，通过储能元件转移到容量比较低的电池上。该电路是通过切换电容开关传递相邻电池间的能量，将电荷从电压高的电池传送到电压低的电池，从而达到均衡的目的。另外，也可以通过电感储能的方式，对相邻电池间进行双向传递。此电路的能量损耗很小，但是均衡过程中必须有多次传输，均衡时间长，不适于多串的电池组。改进的电容开关均衡方式，可通过选择最高电压单体与最低电压单体电池间进行能量转移，从而使均衡速度增快。能量转移式均衡中能量的判断以及开关电路的实现较困难。

除上述均衡方法外，在充电应用过程中，还可采用涓流充电的方式实现电池的均衡。这是最简单的方法，不需要外加任何辅助电路。其方法是对串联电池组持续用小电流充电。由于充电电流很小，这时的过充对满充电池所带来的影响并不严重。由于已经充饱的电池没办法将更多的电能转换成化学能，多余的能量将会转化成热量。而对于没有充饱的电池，却能继续接收电能，直至到达满充点。这样，经过较长的周期，所有的电池都将会达到满充状态，从而实现了容量均衡。但这种方法需要很长的均衡充电时间，且消耗相当大的能量来达到均衡。另外，在放电均衡管理上，这种方法是不能起任何作用的。