传统汽车在全球保有量的不断增加，造成了能源短缺、气候变暖、空气和水质量下降等问题。从20世纪末发展起来的现代电动汽车具有低排放、甚至零排放、热辐射低、噪音低和环境友好等特点，是节能环保和可持续发展的新型交通工具，具有广阔的发展前景。先进的电动汽车包括纯电动(BEV)、混合动力(HEV)与燃料电池汽车(FCEV)三类[1]，其中具有更高效率、无污染、不依赖汽油的纯电动汽车又是其中的佼佼者。目前，市场上销售的纯电动汽车以小型车为主，这既与电池的能量密度相关，也与当前消费需求有关。随着近年来动力电池技术的巨大发展，纯电动汽车已进入了快速发展期。

    为电动汽车提供动力能源的大容量蓄电池常称作动力电池。车用动力电池一般由多个单体电池串联组成一个模块，又称电池包。由于单体电池制造过程中性能的不一致性和使用过程中电池包内部环境的非均匀性等原因，随着使用时间的增加，单体电池之间的性能差异将逐渐拉大[2]，若不采取措施将造成某些单体电池过充电而某些单体电池过放电，过充和过放不仅影响电池寿命，损坏电池，而且还可能产生大量的热量造成电池性能急剧下降，因此采取电池能量均衡技术来补偿电池性能的差异是非常必要的[3]。
1 电池均衡方法
1.1 现有的电池均衡方法
1.1.1 分流均衡法
    锂离子电池分流均衡法是在单体锂离子电池上附加一个均衡电路，该电路起到分流作用，如图1所示。在这种模式下，当某个电池首先满充时，其均衡装置能阻止其过充并将多余的能量通过分流电阻R1，R2，…，Rn转化成热能，同时又能对未完成充电的电池继续充电。

    为了避免由于R1，R2，…，Rn造成的大功率损耗，这种方法最好与带有满充小电流的开关充电器一起使用。
    分流充电方法的缺点：需要设置分流电阻R1，R2，…，Rn，造成大功率损耗，这种方法仅适用于小电流充电的系统。
1.1.2 有源单元平衡法
    有源单元平衡法是通过有源电荷开关或者电压或电流转换器把能量从一个单元传递到另一个单元。有源单元平衡法可以分为电荷开关和能量转换两个主要控制过程[4]。图2所示是飞速电容均衡充电方法[5]。

    控制系统通过导通或切断电子线路中的开关，就可以控制电池B1，B2，…，Bn与电容C之间的导通或切断关系，由此控制电池B1，B2，…，Bn向电容C充电或放电。例如，当开关S1关闭时，可使电容C连接到B1单元；一旦电容C充满，开关S1打开，开关S2随关闭，使电容C连接到B2单元；这时，如果B2的电压小于B1的电压时，电容C会将电荷传递到B2，缩小B1和B2之间的电压差；如果B2的电压大于B1的电压时，B2继续向电容C充电。电容C可以以同样的方式连接到B3，B4，…，Bn，以此类推，可将充电电压最高单元的电荷传递到充电电压最低的单元，达到各单体锂离子电池的均衡。
    这种方法的缺点是，系统不能精确判断线路中每片电池的电压值，要花费大量的时间，才能将电荷从高电压单元传递到低电压单元。
1.2 本设计的锂离子电池能量均衡方法
    本文设计了一种锂离子电池能量均衡系统，通过比较每两片单体锂离子电池之间电压差值，对所比较的两片单体锂离子电池的电量进行均衡，使锂离子电池组中每片单体锂离子电池的电量达到平衡状态，避免每片单体锂离子电池出现过充电、过放电状态，延长单体锂离子电池的使用寿命，充分发挥单体锂离子电池的性能，由此提高锂离子电池组的整体性能。
    图3是锂离子电池能量均衡系统的结构框图，其中包括信号驱动单元、电压比较单元、控制单元和均衡单元。各部分连接关系如图3所示。

    在电路接通时，由于电容C1还未充电，经过定时器A内部电路，输出端(3端口)输出高电平，VCC通过电阻R1和电阻R2对电容C1充电，电路进入暂稳态(高电平态)。在暂稳态期间，随着电容C1的充电，经过定时器A内部电路，使得输出端翻转为低电平，电路发生一次翻转，电路进入另一暂稳态（低电平态）。在此期间，随着电容的放电，电路又一次自动发生翻转。如此循环，得到矩形脉冲信号a，此信号a直接进入控制单元，调整电阻R1、电阻R2和电容C1就可以调整矩形脉冲的时间常数?子，?子=0.7(R1+2R2)C1，由此调整矩形脉冲的宽度。
    图5是电压比较单元的电路，主要包括运算放大器B。运算放大器B的2个输入端分别连接两片单体锂离子电池BT1 、BT2的输出电压，其中一个输入端经电容C3和电阻R5的并联电路与运算放大器B的输出端相连。本实验采用的运算放大器为LM358PW[8]。

    当单体锂离子电池BT1的电压比单体锂离子电池BT2的电压高时，在运算放大器B的输出端b输出高电平；当BT1的电压比BT2的电压低时，在运算放大器B的输出端b输出低电平。此输出端b输出的电平与矩形脉冲信号a一起进入控制单元。

    在实验中，场效应管Q1和Q3受同或逻辑门P1输出端c输出的电平来控制通断。当输出端c输出为高电平时，Q1和Q3所在线路导通；当输出端c输出为低电平时，Q1和Q3所在线路断开，场效应管Q2和Q4由同或逻辑门P2输出端d输出的电平来控制通断。当输出端d输出为高电平时，Q2和Q4所在线路导通；当输出端d输出为低电平时，Q2和Q4所在线路断开。
    开始时，电池BT1电压输入电压比较单元中运算放大器B的同相输入端，电池BT2电压输入电压比较单元中运算放大器B的反相输入端，当电池BT1电压比电池BT2电压高时，在运算放大器B的输出端b输出高电平。在电路接通开始时刻，电容C1还未充电，经过定时器A内部电路，输出端a端输出高电平，此时定时器A的输出端a和运算放大器B的输出端b都输出高电平，所以同或逻辑门P1输出高电平c，非逻辑门P2输出低电平d，场效应管Q1和Q3所在线路导通，场效应管Q2和Q4所在线路断开，电池BT1与过渡电容C4构成回路，电池BT1给过渡电容C4充电。
    到矩形脉冲的下半个周期时，定时器A的输出端自动翻转，输出低电平a，运算放大器B的输出仍然为高电平b，所以同或逻辑门P1输出低电平c，非逻辑门P2输出高电平d，场效应管Q1和Q3所在线路断开，场效应管Q2和Q4所在线路导通，过渡电容C4与电池BT2构成回路，过渡电容C4给电池BT2充电。这样就使电池BT1中的能量转移到电池BT2中，从而使电池BT1电压降低，电池BT2电压升高。依此循环，直到电池BT1电压与电池BT2电压的差值小于一个预先设定的微小电压值时（本实验预先设定为1.0 mV），锂离子电池均衡系统结束工作，电池BT1与电池BT2之间的能量转移结束，由此完成了这两个电池能量的均衡过程。
    同理，当电池BT2电压比电池BT1电压高时，经过上述均衡电路可实现电池BT2与电池BT1的能量均衡。
2 均衡实测结果
    电池能量均衡实测数据如表1所示，开始时电池BT1电压为3.985 V，电池BT2电压为3.703 V，经过90 min的电路均衡后，电池BT1电压为3.833 V，电池BT2电压为3.832 V，实现了两片锂离子电池的电压均衡，两片电池能量均衡后的电压误差可通过预先设置的误差值来设定，本实验设定的误差值为1.0 mV。图8是电池能量均衡实测曲线。通过实测曲线可得经过一段时间后，BT1与BT2达到能量均衡。

    本文设计的动力锂离子电池能量均衡系统能够快速、精确地实现两片有差异的单体锂离子电池之间的能量均衡，将高电压电池能量无损耗地转移到低电压电池中。电池组均衡的需求源于单体电池性能的不一致性，随着电动汽车产业的发展浪潮，均衡控制技术将会得到快速发展，这将推动动力电池和电动汽车产业化发展的进程，产生巨大的社会效益和经济效益。
参考文献
[1] (日)电气学会.电动汽车驱动系统调查专门委员会编著.电动汽车最新技术[M].康龙云，译.北京：机械工业出版社，2008.
[2] 孙逢春，何洪文，陈勇，等.镍氢电池充放电特性研究[J].汽车技术，200l(6)：6-8.
[3] PARYANI A，DICKINSON B.Battery management for fast charge systems[C].19th International Evs Conference，Korea，2002.
[4] 宫学庚，齐铂金.电动车电池均衡控制的建模与分析[J].电池，2005，35(1)：37-38.
[5] 王明渝，俞静.电池组均衡充电电路研究[J].电气应用，2007，26(8)：46-47.
[6] 李春玲.555定时器功能与应用特点[J].电子科技，2011，24(1)：93-95，98.
[7] 谭琦耀.基于555电路的单稳态触摸开关设计[J].煤炭技术，2012，31(6)：61-62.
[8] 谭磊.几类运算放大器的基本特性及设计要素[J].电子技术应用，2012，38(7)：20-21.