- 82 -
工 业 技 术
在“碳达峰，碳中和”的总战略中，能源电子产业是我国创新领域的一个主要赛道。锂离子电池因具有高能量与功率密度等优势而被广泛应用于各个领域。在即时配送用电动两轮车换电领域，具有更高强度应用需求的锂离子电池已成为主力。电池单体多以串、并联成组形式使用，然而，各电池单体在制造和运行过程中存在不可避免的差异，所产生的“木桶效应”缩短了电池组使用寿命[1] 。换电运营商为了满足市场需求，只能不断投入新电池，增加了电池库存与运营成本。上述问题的常规解决方案有2种：1）对电池重新进行分容重组。该方案成本高且有隐藏燃爆风险，需要符合工信部白名单的企业才能实施[2] 。2）使用均衡仪器对各电芯进行均衡。该方法也不能根本解决电阻差异。该文提出了对电动两轮车换电锂电池组加装主动均衡装置进行延寿的方法，相当于在电池组中增加了一个随着电池的均衡 仪，为只是由电阻差异而非化学物质枯竭导致续航里程与
寿命异常的电池组提供了一种有效、可靠的方式，以此来
保证其循环次数与使用寿命。
1 主动均衡装置原理“亚洲电动汽车之父”陈清泉院士曾说过“没有电池
管理的电池包就是一枚”
。为解决电池组不一致性问题，电池均衡技术应运而生。电池均衡的本质是减少电池
组各电池单体能量的差异，从而使电池组保持较高的一致性。作为电池管理系统的关键一环，该技术在预防电池
过充过放、确保电池组可用容量及其安全运行、延长使用
寿命、优化使用方案以及节约成本等方面具有重要意义。1.1 多绕组变压器一体同步主动均衡装置原理
均衡技术可以分为被动均衡和主动均衡2类[1]
。被动
均衡是一种能量耗散式均衡，其能量使用效率低、均衡电流小，在目前的两轮车电池组使用中如隔靴搔痒。主动均衡是一种非能量耗散式均衡，其原理是以电容或电感等储能元件的方式将能量高的电芯内的能量转移到能量低的电芯中去。优点是能量损耗较小、散热低和效率高，缺点是成本高、拓扑结构复杂，复杂的结构提高了成本与故障率。
该文采用的主动均衡装置基于“多绕组变压器的均衡拓扑”，为在低复杂度的情况下实现快速均衡和高均衡效率，采用文献[3]设计的一种利用多绕组变压器一体同步的双向有源均衡方法。该方案允许通过正激或反激变换，将能量直接从最高能量电池传输到最低能量电池，为能量转移提供了一个较短的路径，通过多路同步均衡，来提供
均衡速度。其设计的变压器不再区分原边与副边绕组，所有绕组具有相同的匝数、同名端、公共端和共用磁芯。n 节串联电池组使用2n 个绕组，多节电池并联的绕组电感
量一致性高，提高了电压均衡精度。采用该方案的变压器均衡4节串联电池组的电路原理图如图1所示，包括4节
串联的锂电池（B 1~B 4）
，8个绕制匝数相同的绕组（L 11、L 12、L 21、L 22、L 31、L 32、L 41以及L 42）
，
8个MOSFET 开关（S 11、S 12、S 21、S 22、S 31、S 32、S 41以及S 42
）以及一个磁芯，
该磁芯为所有绕组共用。每2个绕组组成一对，分别与开
关串联后，并联至一节电池上。
同时采用文献[3]提出的变压器绕制方法，选择合适
的非晶纳米晶磁芯，并设计适配的“日”形框架结构，如
图2所示，使作为储能介质且结构复杂的变压器占用体积
较小，为整体主动均衡装置能随电池组使用奠定基础。
基于上述文献与拓扑，文献[4]设计了一种可级联及
并联使用的锂电池组均衡保护模组，该装置即该文使用的“多绕组变压器一体同步主动均衡装置”
，将大部分控制电路集成在专用IC 内部，精简了外围电路，同时定制化设计了专用MOS 管，可吸收返峰电流，在缩小空间的同时也能降低成本并提升均衡性能。该模组主要包括电路接口与均
衡保护电路，如图3所示。其中电路接口分为3组并与均
衡保护电路相连接。均衡保护电路包括主控单元（MCU ）、温度采样电路（TEMP ）、电压检测电路（VOL ）、电流采样电路（CUR ）
、通信电路（COM ）、磁通耦合电路以及能量传递电路。基于该装置，文献[5]进一步设计了“一种可扩展的电池均衡保护电路”
。1.2 多绕组变压器一体同步主动均衡装置特性测试
针对三元锂及磷酸铁锂电池组，对该文装置进行电性测试验证，电池压差可控制在10mV 以内。不同于被动均
两轮车换电锂电池组主动均衡延寿的
研究与应用
朱海鹏
（福建省福芯电子科技有限公司，福建 福州 350101）
摘 要：由于锂离子电池的能量高，因此广泛应用于行驶里程高、充电频率高的即时配送用电动两轮车换电领域。锂离子电池组串、并联使用要求和电芯的不一致性导致的“木桶效应”严重影响了电池组的使用寿命，成为换电运营商面临的棘手问题。该文提出加装一种多绕组变压器一体同步主动均衡装置，以此为电池组延寿的方式。试验证明，对于由电阻差异而非化学物质枯竭导致续航里程与寿命异常的电池组，使用该装置可有效、可靠地保证循环次数，延长使用寿命，降低运营商的运营成本与管理成本。关键词：电动两轮车；锂离子电池；主动均衡；多绕组变压器；电池延寿中图分类号：TM 912 文献标志码：A
- 83 -
工 业 技 术
衡只能充电时均衡，该文装置在充电/放电/静止状态下检测到电池压差大于设定值时，可自动启动均衡工作。采用16串16Ah 磷酸铁锂电池实测其最大均衡电流，可达5A ，并且电池间压差越大，均衡电流越大，如图4所示。同时，实测可知该文装置具有温度保护、过流保护、欠压保护和自动休眠功能，初步计算均衡效率可达97%。实装尺寸约70mm ×64mm ×19mm ，质量约120g ，体积小巧且散热好。根据上述特性测试可知，理论上该主动均衡装置可在换电电池组内部使用，能有效解决电池单体均衡的问题，
并能确保电能系统正常工作，满足其“安全性、持久性和可靠性”的需求。
2 换电锂电池组延寿的实用验证2.1 验证用换电电池增装方式
选取某换电运营商福州仓库旧电池组进行电池组实装均衡装置验证。库存电池组为换电用电池组，多用于即时配送等高强度应用场景，使用环境为福建坑洼、多雨、陡峭区域。电池组规格有48V/25Ah 与60V/20Ah 共2种规格，分别对应16串与20串电池组。电池组距生产年限多在1~2年，经过多次充、放电，内部电解液枯竭，化学物质活性降低，电池内阻均有不同程度升高，相关电芯间内阻差异较大，导致电池组各串电池电压压差变大，电池组容量缩水，影响续航里程与寿命。当压差大于500mV 时会出现起步断电和充电、使用时间短的现象。从仓库中选取部分旧电池进行增装主动均衡装置的负载放电验证与路跑对比验证。
增装主动均衡模组的步骤如下：1）初容量检测。对上位机监控系统筛选出的具有压差的电池，使用负载放电进行电池容量计算。2）连接电芯。使用定制的电池转接线或直接焊接，使均衡模组连接电池电芯。3）确认极性。防止错误连接线极性导致烧板。4）连接BMS 。使用转接线连接模组与电池BMS ，从通信口读取BMS 数据，确认连接情况。5）使用转接线连接均衡模组，确认均衡模组工作指示正常。6）固定安装。将均衡模组固定在电池内部的合适位置，使用辅材确保电池使用过程中不会脱线、挤压和晃动。
2.2 增装主动均衡装置负载放电验证
对样品一进行电池容量提升的负载放电验证。增装主动均衡装置后，在实验室（室温25℃）使用8Ω水泥电阻进行2.5A （0.1CC ）直流充、放电。样品一充放电5次循环试验如图5所示，可见样品一电池容量经过5次循环后，由最初的69.04%提升至90.02%，提升效果明显。
2.3 增装主动均衡路跑放电验证
对样品二、样品三进行路跑里程提升验证，并和正常运营电池进行比较。试验在2022年12月进行，试验时外部气温约为8℃~15℃，试验用两轮电动车为一辆六成新骑手外卖专用车，骑乘人员体重88kg ，路跑区域主要为福州市区。
对样品二、样品三增装主动均衡模组后，经3次充满电并路跑至断电，样品二增程7km~45.9km ，样品三增程
13km~45.3km ，如图6所示。与对照组电池行程相当（对
照组电池行程为44km ）
。该试验测算1Ah 行程为2.55km ，属于正常范围（正常范围约为
1Ah 2km~3km ）
。图2 同步线圈的“日”形结构件
图3 电池均衡保护装置功能示意图
TEMP MCU
COM
VOC
CUR
B 0
B 1 B 2 B 3 B 4 B 5 B 6 B 7
B 8 B 9 B 10
B 11
B 12 B 13 B 14 B 15 B 16
G N D 1
E N
注：B 1~B 4为串联锂电池组；S 11~S 42为MOSFET开关；L 11~L 42为变压器绕组。
图1 多绕组变压器一体同步双向均衡拓扑
B 4
S 41L 41
L 31
L 21
L 11
L 42
L 32
L 22
L 12
S 31S 21S 11S 42
S 32
S 22
S 12
B 3
B 2
B 1
- 84 -
工 业 技 术
根据上述试验可知，增装主动均衡装置后，电池单体的容量及其对应里程得到了有效提升。后续经扩大
验证可知，所选电池增装主动均衡装置后经过3~5次充放电循环，均有不同程度的容量恢复，多数可提升至标称容量的80%以上，容量恢复效果显著。
3 结论
对电动两轮车共享锂电池组增装多绕组变压器一体同步主动均衡装置，能以更节能、环保的方式充分利用电池的有效设计容量，最大化利用电池的效能，延长电池使用寿命，降低投入成本，缓解电池库存压力。根据试验可知，增装主动均衡模组可以延长电动两轮车共享锂电池组寿命，理论上可使旧电池的利用达到理论循环次数，实际中视使用频率和电池化学特性有所差异。试验证明，增装主动均衡模组并经过3~5次充放电循环后，旧电池组的容量得到显著提升，验证可达标称容量的80%以上，显著延长了电池组的工作时间。
不过变压器式主动均衡也存在使用局限。基于电池压差均衡的原理，压差越大，均衡电流越大，1V 压差对应约5A 均衡电流，对5度电以内的电池组来说是很高的均衡效率，但是在更大容量（如汽车动力）电池方面的应用还略显局限。换电电池多数为1度~3度电，使用该方式是可靠且有效的。按某换电运营商部分库存电池样本统计，约70%的电池组可进行增装使用。随着库存电池存放越久，相关化学反
应持续发生不可逆变化，越早进行筛选增装，可越早发挥库存电池价值，降低库存电池压力。电池的均衡可随着电池全生命周期，增装主动均衡可有效延长库存电池使用寿命已经得到验证，可进一步考虑在
新电池上加装主动均衡模组，以便在电池组使用生命周期开始就完全发挥电池效力，排除不均衡问题。
参考文献
[1]蔡敏怡，张娥，林靖，等.串联锂离子电池组均衡拓扑综述[J].中国电机工程学报，2021，41（15）：17.
[2]赵光金，李博文，胡玉霞，等.退役动力电池梯次利用技术及工程应用概述[J].储能科学与技术，2023，12（7）：2319-2332.
[3]黄连福，黄致远.一种多路一体式同步线圈的绕线结构：CN202210767867[P].2023-08-15.
[4]景苏鹏，黄华清，刘忠征，等.一种具有多使用模式的电池均衡保护模组：CN202211109984.8[P].2023-08-15.[5]景苏鹏，黄华清，刘忠征，等.一种可扩展的电池均衡保护电路：CN202222423305[P].2023-08-15.
图4 电池组最大压差ΔV 与均衡电流I 曲线（16S-16Ah 示例）
图5 样品一充放电5次循环试验
图6 试验样品路跑对比数据
6543210
0.10.20.30.40.50.60.70.80.91 1.1 1.2 1.3 1.4
均衡电流 I （A ）
电池最大压差Δ V （V）
45.9
45.3
循环次数
k m
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议