超强电池均衡器设计原理之双向同步整流换能电路解密

电池组均衡器在电池组的一致性管理上具有无法替代的作用，特别是转移式电池均衡器更是保证大功率、大容量动力电池组、储能电池组安全、高效稳定运行的首选。

　　电池均衡器高效运行的两个重要参数分别是均衡电流和均衡效率，特别是最大支持均衡电流，直接决定了均衡速度和均衡快慢。实践证明，只有转移式电池均衡器才具备这种优势和潜力，不仅具有较大的均衡电流，而且具有较高的均衡效率，温升比较小，对电池组的温升影响小。但传统转移式电池均衡器的均衡电流通常在1、2A以内，效率也不高，电流再大一点，均衡效率下降厉害，发热量开始增大，如果通过增大功率开关器件的散热器的方法提高均衡电流，那么不仅均衡器的体积和重量都将明显上升，而且发热量也将继续增大。要知道，蓄电池对温度是非常敏感的，温度过高，非常影响电池的稳定性和安全性，还会加速电池的衰减。

　　传统转移式电池均衡器的均衡电流之所以很难做大，效率之所以不高，一个非常重要的原因就是设计结构问题，由于需要执行能量交换，需要使用续流二极管进行电能转换，由于二极管存在导通压降，工作时会产生一定的热量，均衡电流越大，流过二极管的电流越大，二极管产生的热量就越多，由于二极管的散热条件限制，流过二极管的电流是有一个安全值的，不能过大，电流和散热环境的限制，使得这种结构的均衡电流和均衡效率受到很大的限制，均衡电流不可能做得很大，对于要求大均衡电流、高效率环境的动力电池组不是最佳选择。

　　针对续流二极管电流过大时发热严重的实际，文章的作者另辟蹊径发明了一种双向同步整流技术，成功地将其应用到自创的转移式实时电池均衡器上，将均衡电流和均衡效率进行了一个质的提升，样机最大均衡电流超过20A，是传统均衡电流的10-20倍，最高均衡效率达到97%左右，平均均衡电流在93%-97%之间，如果适当配置散热片，均衡电流还可以提升30%以上。功率开关管在不配置任何散热器件的情况下，均衡电流仍可以达到6A以上，均衡效率高达91%以上，并且是连续运行。目前。发明人已将这一技术申请国家发明专利，名称为“一种具有双向同步整流功能的转移式实时电池均衡器”（专利申请号：201710799424.2），这一技术，彻底颠覆了转移式电池均衡器的均衡电流和均衡效率难以做大、做强的难题。为高功率动力电池组实时、高效均衡提供了一项新技术。

　　何为双向同步整流？它的原理是什么？现在来进行技术解析。

　　先看看传统转移式均衡器的换能结构，如图1所示。

图1 传统转移式均衡换能结构示意图

　　换能原理如下：两只场效应管Q1、Q2的驱动信号为矩形波脉冲，各自独立控制，假设电池B2的电压高于电池B1的电压，通过前级电路的控制，在脉冲驱动信号的负半周期时，Q1导通，Q2截止，电池B2的部分电能通过Q1缓存到电感L中，在脉冲驱动信号的正半周期时，D2导通，Q1截止，Q2仍截止，缓存到电感L中的电能利用电感特性通过D2充入到电池B1中，电池B2通过间歇性的放电，电压逐渐降低，电池B1通过间歇性的充电，电压逐渐上升，当两块电池的电压相同（或相近）时，Q1的驱动脉冲停止，驱动信号处于高电平状态，Q1截止，不再进行电能转移，电池均衡结束。相反，当电池B2的电压低于电池B1的电压时，均衡过程和原理类似，不再赘述。

　　换能原理表明，均衡过程中，参与电能转移的功率器件主要有五个，分别是场效应管Q1、Q2、续流二极管D1、D2和电感L，因此均衡电流的大小和电能转移效率的高低主要就由这五个器件决定了。场效应管和电感通过选用合适的型号和参数，可以实现大均衡电流下的低损耗，而续流二极管由于存在较大的导通压降（电流越大、导通压降越大，为了降低续流二极管的损耗，通常采用肖特基二极管）而产生较大的损耗，电流越大则损耗越大，因此，续流二极管是制约均衡电流和均衡效率提高的最大瓶颈。

　　这种电路结构，当均衡电流提高至5A时，续流二极管的电流约为2.3A左右，自身电压降约为0.4V，峰值损耗约为1W，如果将均衡电流提高至10A右时，续流二极管的电流约为4.5A左右，自身压降约为0.6V左右，峰值损耗约为2.7W左右，需要配置较大的散热片才能保证续流二极管不会过热烧毁（均衡实验已经证明了这一点）。如果再继续提高均衡电流，那么续流二极管的损耗将会更大，产生的热量更多，直接危及均衡器的运行安全。

　　而双向同步整流换能设计，则是通过控制另一只场效应管来代替续流二极管的功能，利用场效应管导通电阻小，工作电流大、压降小、损耗小的特性，实现在提高均衡电流的同时大幅度降低自身损耗，提高均衡效率的目的。

　　在图1中，如果取消续流二极管D1和D2，然后通过精确控制Q1和Q2，使其适时、交叉执行D1和D2的功能，即当Q1执行开关管功能时，Q2执行续流二极管D2的功能；当Q2执行开关管功能时，Q1执行续流二极管D1的功能，这样不仅省略了续流二极管D1和D2，而且开关管Q1和Q2利用率大幅度得到提升，换能结构如图2。

图2 双向同步整流换能结构示意图

　　两种换能结构在驱动信号上的区别是：在传统转移式均衡换能结构中，当一个开关管有驱动信号时，另一个开关管处于关闭状态；而在双向同步整流换能结构中，两个开关管同时接受同步控制信号，并且脉冲频率、占空比、相位是相同的，由于两个开关管是完全互补的，当Q1导通时，Q2截止；当Q1截止时，Q2导通。

　　另外，双向同步整流换能结构较传统转移式均衡换能结构省略了一对续流二极管，不仅简化结构，而且大均衡电流下的转换效率更高，发热量更低，系统的稳定性和可靠性明显提高。

　　那么，双向同步整流换能结构在实际应用上究竟有多大优势呢，下面通过三组不同设计的锂电池均衡器样机的实测均衡电流与均衡效率对照数据进行说明。

　　第一组：传统转移式均衡换能结构（无散热器）的均衡电流与均衡效率对照数据

　　第一组数据说明：该数据为作者研发的专利电池均衡器样机数据，采用自创的驱动结构，均衡电流大于同类型设计。

　　第二组：更换为双向同步整流结构后（无散热器）的均衡电流与均衡效率对照数据

　　第二组数据说明：与第一组数据采用的均衡器样机为同类型主板，仅仅是更改为双向同步整流设计，其它电路完全相同。应用效果上，最大的变化是均衡电流和均衡效率均明显提升。在相同均衡电流情况下，效率更高，损耗更小，温升更低，均衡能力更强。

　　第三组：设计最大均衡电流为16A（微型散热器）的均衡电流与均衡效率对照数据

　　第三组数据说明：该组实验数据是为了验证双向同步整流技术架构下的均衡电流扩展性，样机在16A均衡电流情况下可以连续稳定运行，温升处于安全值以内。

　　图3为采用双向同步整流结构（无散热器）实验样机在电池组4A恒流放电末期时的电压数据，图中，2#电池为报废电池，几乎没有容量，用于代替严重衰减电池，尽管总放电电压已到达截止电压12.0V，但2#电池的电压仍接近3.0V，远远高于安全电压2.75V，其他三块电池的电量也基本释放完毕，实现容量的充分利用，整个放电期间，ABS塑料外壳仅仅有少量的温升。

图3 大容量锂电池组４Ａ均衡放电实验

　　电池均衡的目的：一是降低小容量电池的衰减速度，实现组内电池同步衰减；二是控制小容量电池的过充电和过放电风险，防止过充电和过放电情况的发生；三是实现电池容量利用的最大化、最佳化，消灭“木桶效应”，稳定电池组的充放电容量和续航时间；四是降低小容量电池的充电温升和放电温升，防止发生热失控。

　　理论和实验证明，要想实现上述目的，电池均衡器必须具备较强的均衡电流能力和较高的均衡效率，对于成组时一致性较好的电池组，具有中小均衡电流、采用续流二极管的设计完全可以满足需要。但对于大容量、大功率的储能、动力电池组，特别是通过二次利用的梯次电池装配的电池组则必须使用均衡电流大、均衡效率高的电池均衡器，实验证明，只有采用双向同步整流设计的转移式实时电池均衡器才能达到最佳效果。

　　这种双向同步整流设计同样适用于发明人研发的单体2V电池均衡器单元均衡模块，实验样机轻松实现10A以上均衡电流。例如，10A以内均衡电流效率达到90%以上，最高均衡效率达到95%左右；15A均衡电流连续运行，峰值均衡效率大于87%，短时间内可以达到18-20A均衡电流（峰值均衡效率在85%左右）。如此大的均衡电流和均衡效率，对于采用续流二极管设计的同类型电池均衡器是无法做到的，即使均衡电流可以达到，但是续流二极管功耗非常大，温升非常高，需要采用很大的散热器，体积也非常大，均衡效率比较低，更主要的是，采用双向同步整流技术后，均衡电流还可以进行扩展，以满足特殊电池组需要，完全适用于单元容量几百Ah以上电池组安全运行的需要。可以说采用双向同步整流设计的电池均衡器在大电流均衡方面，突破了采用续流二极管方案设计的电流瓶颈，为大电流电池均衡器设计指明了一条发展方向。