孫金磊，逯仁貴，魏國，朱春波，武國良，徐冰亮

(1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001;2.黑龍江省電力科學研究院， 黑龍江哈爾濱 150030)

一種電動汽車串聯電池組主動均衡器的設計和實現

孫金磊1，逯仁貴1，魏國1，朱春波1，武國良2，徐冰亮2

(1.哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程與自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001;2.黑龍江省電力科學研究院， 黑龍江哈爾濱 150030)

針對電動汽車串聯電池組長期充放電引起的電池組容量不均衡、電池組整體性能下降的問題，結合開關電源和同步整流技術提出一種電池均衡拓撲和方法。根據串聯電池組單體剩余電量（SOC）分布選定需要均衡的電池單體，確定所需均衡時間和均衡結束條件。分析以正激變換器為主體的均衡器工作模式，得到能量轉移方程。利用同步整流技術將二極管替換為開關管來減少能量損失。對實驗數據分析的結果表明：均衡器能夠根據電池單體SOC確定需要均衡的單體，計算均衡時間，實現電池組內任意單體之間的能量傳遞。與現有方法的比較結果驗證了所提出均衡拓撲的可行性和縮短均衡時間方法的有效性。

串聯電池組；均衡器；非能耗型均衡；主動均衡；同步整流

0 引 言

人們對環(huán)境和能源問題的日益關注,促進了電動車的發(fā)展,商業(yè)化的追求正變?yōu)楝F實[1]。由于鋰電池具有能量密度高，制作成本低等優(yōu)點，在不久的將來很有可能取代鎳氫電池廣泛應用于電動汽車領域[2]。由于單體電池電壓很低，而電動汽車的應用場合需要高電壓，就必須將多節(jié)電池串聯后使用[3]?？墒钱敶撾姵亟M循環(huán)充放電后，電池單體之間的不一致所帶來的影響變得明顯，這種不均衡將加劇過充和過放進而導致電池使用壽命降低[3-5]。因此，為了避免潛在的危險和提高電池使用壽命，有必要對電池組進行均衡操作[6-7]。目前，市場上產品普遍采用的電阻放電均衡方式雖然結構簡單，價格低廉。但有限的電池能量在車輛運行過程中始終以電阻發(fā)熱的形式散失，電能白白浪費的同時還造成了嚴重的安全隱患。針對這一問題有學者對能量轉移型主動均衡展開研究，已經提出了多種均衡拓撲，比如文獻[8]中，用雙層開關電容來對電池進行均衡；文獻[9-10]則是采用多原邊變壓器實現能量的傳遞從而實現均衡。

在借鑒現有的均衡方法基礎上，考慮均衡方式對均衡時間的影響，本文提出了一種電池靜態(tài)恒流均衡器。為了保證儲能系統(tǒng)安全，整車運行時均衡器不工作。在定期維護時均衡器啟動運行，對串聯電池組進行維護。均衡器利用一個單向正激變壓器實現能量傳遞，變壓器輸出端的反饋信號調節(jié)原邊金氧半場效晶體管（metal-oxide semiconductor fi eld-effect transistor,MOSFET）驅動信號的占空比從而保持輸出電流恒定。均衡器同時配有電壓采集電路，獲取各單體電壓并根據長期靜置電池開路電壓同剩余電量（state of charge，SOC）的關系曲線估算各節(jié)電池SOC，開關陣列選擇高容量電池和低容量電池分別接入均衡器的輸入和輸出端。這種均衡結構使能量傳遞更具針對性，縮短均衡時間。

1 均衡器的結構

本文提出的電池均衡結構如圖1所示，圖中均衡器利用電壓采集電路獲得信息，根據SOC將電池單體進行配對，較高SOC電池和較低SOC電池形成一個均衡對，12節(jié)電池串聯的電池組最多可以組成6個均衡對。然后通過開關網絡將一個均衡對中較高SOC電池接入均衡器的輸入端，較低SOC電池接入輸出端。均衡電流從高容量電池向低容量電池流動。兩節(jié)電池完成均衡后，切換另一個均衡對中的兩節(jié)電池繼續(xù)進行均衡，直到電池組內部所有單體達到容量均衡。

圖1 均衡器結構Fig.1 Structure of the proposed equalizer

2 均衡器的工作原理

均衡器的主體是能量轉換部分，由DC-DC變換器實現，如圖2所示。

圖2 均衡器主電路Fig.2 Main circuit of the proposed equalizer

由于正激變換器結構簡單，適用于低電壓大電流應用，所以本文采用這種結構。變換器的輸入來自每一個均衡對中高容量電池，輸出為低容量電池，通過開關陣列接入，整個轉換過程能量的傳遞都是在電池組內部進行，不需要外部電源供電。MOSFET Q的驅動信號來自集成PWM驅動控制芯片UC2525，當微控制器發(fā)出均衡啟動指令后，PWM驅動控制芯片持續(xù)發(fā)出PWM驅動控制信號給功率器件，均衡主電路工作，通過輸出電流反饋調節(jié)PWM信號的占空比，使輸出電流恒定。恒定的電流便于SOC的估算。均衡電流由正激變換器參數決定，為了方便分析，將副邊阻抗等同為一個電阻，用r表示，r包括變壓器副邊線圈和輸出電感L以及線路的阻抗。

根據開關管的工作狀態(tài)，均衡器工作在兩種模式下。在均衡器開始工作前，開關陣列已經將相應電池接入。

模式1：當開關管Q導通時，模式1啟動。如圖3所示。較高容量電池通過變壓器原邊電感建立勵磁電流，同時將能量傳遞到副邊，副邊儲能電感積蓄能量并為電池充電，電感電流逐漸上升。MOSFET Q導通時Vorm和電感電流可根據式（1）和式（2）得到，計算結果如式（3）所示。

式中，Vorm為變壓器二次側未經過電感L的電壓；假設MOSFET的導通壓降為1V，Vstrong為接入的較高容量電池的電壓，Np和Ns分別為原邊和副邊匝數，VDl為SR-Q2導通壓降。

式中：L為電感;il1為模式1情況下流過電感的電流;r為線路及電池阻抗;E為容量較低電池端電壓解得

式中，I10=i12(T),I10為il1初始電流值，τ=L/r，T為PWM信號的周期。

圖3 模式1電路工作示意Fig.3 Operation schematic diagram of mode 1

模式2：當開關管Q關斷時，模式2啟動。如圖4所示。在模式2中，變壓器原邊利用復位繞組進行磁復位。復位能量返回高容量電池。由于二次側電感電流不能突變，二次側的續(xù)流MOSFET SRQ1導通，電感中儲藏的能量釋放，給低容量電池充電。根據式(4)計算可以得出此模式下電感電流，計算結果如式(5)所示。因為正激變換器有磁復位的特點，在Nr=Np的情況下，占空比最大為0.5。

式中I20=i11(t1)為il2的初始值，ton為開關導通時間。

圖4 模式2電路工作示意Fig.4 Operation schematic diagram of mode 2

為了保證充電電流的連續(xù)，所以使變換器工作在電感電流連續(xù)模式(continuous current mode,CCM)下，通過以上分析可知，在模式1中流過電感的電流是給低容量電池的充電電流，在模式2下電感釋放的電流也流過低容量電池，因此可以得出結論，流過電感的電流就是均衡電流。這種均衡方法和現有方法相比，直接將能量從較高容量電池轉移到容量較低電池，免去了電池之間相互轉換帶來的損耗，因此均衡時間將明顯縮短。

3 同步整流技術的應用

本文的應用場合輸入和輸出電壓都比較低，如果采用傳統(tǒng)的整流二極管，最小導通壓降在0.6 V左右，而輸入和輸出的電池電壓也只有3.2 V左右。在工作過程中總有一個二極管工作，損耗巨大。如果采用同步整流技術并采用專用芯片來驅動就可以降低導通壓降，從而減小損耗。實際應用中采用的驅動芯片是ST公司的STSR2正激同步整流驅動芯片，這款芯片內部集成了二次側同步信號采集和死區(qū)設置功能，通過簡單的阻容配置就可以實現兩路帶有死區(qū)的互補PWM信號輸出。時鐘同步信號CK，SR-Q1和SR-Q2的驅動信號OUTGate1，OUTGate2分別如圖5所示。

圖5 同步整流驅動信號波形Fig.5 Driving signal of synchronous recti fi er

4 實驗結果及分析

為了驗證本文提出電池均衡器的工作原理，搭建了實驗平臺，實驗平臺由12節(jié)串聯電池組、供電電源、均衡主控板和CAN分析儀組成。均衡器工作頻率為40 kHz，由于正激電路需要磁復位，所以最高占空比限制在45%。平臺中所用電池為標稱容量5 Ah，額定電壓為3.2 V的國內某電池廠家生產的動力磷酸鐵鋰電池。均衡器采用本文提出的正激變換均衡器，對SOC差異較大的兩節(jié)電池單體的均衡，通過CAN分析儀將實時采集的電池均衡信息發(fā)送到上位機進行存儲和分析。針對串聯電池長期充放電實驗中出現的不均衡現象，在充分靜置的情況下，利用之前測得的電池開路電壓同SOC的關系曲線估算電池組中每一節(jié)電池的SOC，并根據SOC的差異確定均衡策略。長期充放電的12節(jié)串聯電池SOC分布如表1所示。

表1 均衡前電池SOC分布情況Tab.1 The initial SOC of 12 cells

根據各節(jié)電池SOC分布，將電池組中較高和較低SOC的電池進行配對，形成均衡順序表，如表2所示。

表2 均衡順序Tab.2 The order of equalization

均衡結束后12節(jié)串聯電池SOC分布情況如表3所示。

表3 均衡后電池SOC分布情況Tab.3 The fi nal SOC of 12 cells

均衡器主要工作波形如圖6所示。

啟動均衡前，首先對電池的SOC進行排序，如果最高和最低SOC電池差異在8%以上，則將這對電池序號計入待均衡序列。其余的電池也做同樣的操作，均衡序列中最多可以有6對這樣需要均衡的電池。啟動均衡后，放電電池的SOC逐漸降低，充電電池的SOC逐漸上升。如有一方達到電池平均SOC時終止這對均衡并進入下一對均衡。當均衡序列全部完成均衡操作后，根據SOC重新產生需要均衡的序列并進行均衡。最終使電池組內所有電池SOC在均值附近。均衡器的實驗曲線如圖7所示。

最后，為了驗證本文所提方法對均衡時間的優(yōu)勢，在初始SOC分布相同的情況下，利用本文所提出的均衡器進行均衡時間計算，與文獻[12]方法所得到的150 min均衡時間進行對比。6節(jié)電池SOC分布如表4所示。

表4 6節(jié)電池SOC分布Tab.4 The SOC of 6 cells

圖6 均衡器工作波形Fig.6 Operating waveforms of proposed equalizer

圖7 同步整流驅動信號波形Fig.7 Driving signal of synchronous recti fi er

均衡器工作參數如下：低容量電池恒流充電電流為1 A，高容量電池平均放電電流為1.4 A。每個均衡周期選取SOC最高電池單體與最低電池單體進行均衡，以其中一節(jié)單體達到平均SOC為本均衡周期結束的判據。一個周期結束后進入下一均衡周期，當電池組內最高和最低SOC的差低于文獻中停止均衡的最大SOC差異5.8%時視為完成所有均衡操作。對于所述的6節(jié)電池單體均衡過程中的SOC狀態(tài)變化如表5所示。根據初始SOC分布狀態(tài)，初始最大SOC偏差為21.3%，首次選取1號單體放電，6號單體充電，1號單體在0.2h后達到平均SOC值57.3%，第一周期均衡結束。第二周期開始時最大SOC偏差為14.3%，選取2號單體放電，5號單體充電，2號單體在0.128h后達到平均SOC值56.7%，第二周期均衡結束。第三周期開始時最大SOC偏差為7%，選取3號單體放電，4號單體充電，4號單體在充電0.065 h后達到平均SOC值56.7%。至此電池組SOC分布如表5周期3結束時所示,平均SOC為56.56%，最大SOC偏差為3%,小于5.8%.計算整個過程中的均衡時間為(0.2+0.128+0.065)h=23.5min，低于文獻中所得到的150min均衡時間，能夠說明本文所提出均衡結構在均衡時間上的優(yōu)勢。

表5 6節(jié)電池均衡狀態(tài)Tab.5 The equalization state of 6 cells

5 結 語

本文針對串聯電池組長期充放電出現的不均衡問題，設計了能量轉移型靜態(tài)電池均衡器，利用正激變換器實現高容量電池單體和低容量電池單體之間的直接能量傳遞，并進行了實驗驗證。均衡器采用電流閉環(huán)控制，恒定電流為1 A，為了減少二極管帶來的損耗，加入了同步整流。最后，以一組電池為例進行了均衡實驗，均衡后各單體SOC同平均SOC最大差異在5%以內。通過與現有均衡方法的比較，證明了所設計均衡器在均衡時間上的優(yōu)勢。因此，本文提出的電池均衡器適用于串聯鋰離子電池組的快速均衡方案。

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(編輯：于雙)

Design and realization of active equalizer for lithium battery string

SUN Jin-lei1,LU Ren-gui1,WEI Guo1,ZHU Chun-bo1,WU Guo-liang2,XU Bing-liang2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China 2.Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030，China;)

Aiming at the unbalance problem and performance degradation to series-connected battery string of electric vehicles during frequent charging and discharging,the topology with synchronous rectifi cation and equalization method were proposed.The target cells to be balanced were selected according to the state of charge(SOC),which determines the equalization time and termination condition.The energytransferequationswereobtainedbyanalyzingtheworkingconditionsoftheequalizationcircuit,which is based on forward converter.The synchronous recti fi cation technology took the place of diodes by using metal-oxide semiconductor fi eld-effect transistor(MOSFET),which decreases the loss of equalizer.The experiment results were carried out to verify the performance and strategy of the equalizer.The energy transfer from high capacity cell to low capacity cell is achieved.Compared with the current method,the equalization time is shortened using the euqlizer and strategy.

series-connected battery string;equalizer;nondissipative equalization;active equalization;synchronous recti fi cation

TM 912

A

1007–449X(2013)10–0033–06

2012–12–11

2012國家電網公司總部科技項目(黑電科信[2012]317號);國家能源應用技術研究及工程示范項目(NY20110703-1)

孫金磊(1985—),男,博士研究生,研究方向為電動汽車電池管理系統(tǒng)及電池均衡技術;

逯仁貴(1968—),男,博士,副教授,研究方向為智能測試與控制、電動汽車電源管理技術;

魏 國(1966—),男,博士,教授,研究方向為測控系統(tǒng)、多功能敏感技術、信號處理、電動汽車電源管理等技術;

朱春波(1964—),男,博士,教授,研究方向為儲能系統(tǒng)綜合測試與控制技術、無線能量傳輸技術;

武國良(1980—),男,博士,工程師,研究方向為電動汽車及充換電技術、儲能電池、智能電網;

徐冰亮(1973—),男,博士,講師,研究方向為電力系統(tǒng)、電網規(guī)劃、電動汽車。

孫金磊