謝 莉，蔣 偉

（揚州大學(xué)水利與能源動力工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

隨著能源緊缺和環(huán)境污染現(xiàn)狀越來越嚴(yán)重，減少從能源生產(chǎn)到消費各個環(huán)節(jié)中的損失和浪費，更加有效、合理地利用能源已成為一項重要的國策。而電池生產(chǎn)廠商在對電池進行充放電測試時需要耗費相當(dāng)多的電能，為了節(jié)省廠商在這方面的生產(chǎn)成本，也為了節(jié)約能源，電池之間互相充放電的裝置已經(jīng)成為眾多公司和研究機構(gòu)的技術(shù)開發(fā)重點[1-3]。

本文以蓄電池為研究對象，研究了儲能設(shè)備的均衡充電方法。采用電壓控制的均衡方案，通過電壓環(huán)補償電池的端電壓，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)電荷移動。仿真和實驗結(jié)果表明，提出的均衡器能提供電荷最快移動并能有效地收斂到零電壓差。

1 電池模型

電池種類多種多樣，但所有電池都可以用通用模型來表示[4]。通過測量電池內(nèi)部的集中參數(shù)，可以獲得電池的剩余電量（SOC）等相關(guān)信息。如圖1所示，電池通用模型由電池內(nèi)電動勢串聯(lián)內(nèi)阻Rh+Rd以及主導(dǎo)電池動態(tài)特性的電容Cp組成。在本模型中，將采用簡單化的建模方式，即不考慮溫度和電流內(nèi)阻等的影響。

圖1 電池通用模型

根據(jù)電池的通用模型通過 PSIM 建立其等效仿真模型，如圖2所示。電池的集中參數(shù)Rh、Rd和Cp可由對應(yīng)的電路元件代替，電池用一個受控電壓模型，通過電流積分得到電荷的變換量，經(jīng)過查表反饋給受控電壓源反應(yīng)電池的電壓變化。

圖2 電池仿真模型

2 垂直 Buck-Boost 均衡器

2.1 垂直 Buck-Boost 均衡器拓撲

蓄電池主要有充電和放電兩種過程，其中既有化學(xué)反應(yīng)，也有電化學(xué)反應(yīng)。鑒于蓄電池的充放電特性，采用恒流、恒壓和浮充三個階段進行充電。當(dāng)蓄電池虧電時，首先采用恒流方式充電，達到限壓值時轉(zhuǎn)入恒壓方式進行補充充電，充電電流降低至浮充電流時，裝置自動進入浮充階段，此階段為低電壓小電流，以補充電池的自然放電。放電時采用恒流方式，放電電流采用 0.1 倍率制，當(dāng)端電壓小于設(shè)定值時，自動停止放電。

考慮到系統(tǒng)的可靠性與成本，本設(shè)計中采用有源均衡電路，如圖3所示。電路由電池 C1和 C2，一個電感 L，兩個 MOS 管 S1及 S2組成。分別通過驅(qū)動觸發(fā)兩個 MOS 管 S1和 S2，對電感 L 進行充電，再通過電感對電壓較低的電池進行充電，從而實現(xiàn)兩個電池間的充放電[5-8]。

圖3 垂直 Buck-Boost 均衡變換器

4 組電池平衡系統(tǒng)的應(yīng)用如圖4所示。由圖4可知，為了平衡 4 組電池，需要 6 個開關(guān)和 3 個電感。那么，一個n組電池平衡系統(tǒng)需要 2(n-1) 個開關(guān)和（n-1）個電感。通過控制各電感電流，可實現(xiàn)各電池間的相互充放電，直至電壓均衡。

圖4 電池充放電均衡系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 垂直 Buck-Boost 均衡器建模

通過分解，對只有兩組電池組成的均衡系統(tǒng)開關(guān)狀態(tài)進行分析，如圖5和圖6所示。該電路存在兩種狀態(tài)：一是 S1導(dǎo)通，S2截止；二是 S2導(dǎo)通，S1截止。用V1表示 C1兩端的電壓，V2表示 C2兩端的電壓，且參考方向均為上正下負，電感 L 兩端的電壓參考方向為左正右負。當(dāng) S1導(dǎo)通，S2截止時，其等效電路如圖5所示。

此時，電池 C1、內(nèi)阻 r1、S1導(dǎo)通電阻 ron、電感電阻 rL、以及電感 L 形成一閉合回路，給電池 C1進行充電。利用電路的 KCL、KVL 公式可知：

圖5 S1 導(dǎo)通，S2 截止時等效電路

當(dāng) S2導(dǎo)通，S1截止時，其等效電路如圖6所示：

圖6 S2 導(dǎo)通，S1 截止時等效電路

此時，電池 C2、內(nèi)阻 r2、電感 L 以及 S2導(dǎo)通電阻 ron形成一閉合回路，給電感進行充電。利用電路的 KCL、KVL 公式可知：

將公式（1）、（2）進行線性平均化處理及拉斯變換，不難求出系統(tǒng)的電流環(huán)控制對象為占空比對電感電流的傳遞函數(shù)如下：

3 基于電壓的平衡控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 電流環(huán)設(shè)計

為了實現(xiàn)電荷移動，首先必須設(shè)計電流環(huán)。如表1所示為三種不同的負載條件，用 Matlab 對三種負載條件進行仿真，得到經(jīng)過補償后的 PI 控制波特圖[9-10]，如圖7所示。

表1 電池負載狀態(tài)

圖7 Matlab 仿真波形

由圖7可以看出，雖然電池負載不同，但第三種情況波特圖中的頻率特性基本一致。經(jīng)過補償后的穿越頻率為 23 kHz，相位裕度為 45°，滿足控制要求。

3.2 均衡充電電壓回路設(shè)計

電壓平衡控制系統(tǒng)框圖如圖8所示，其中，Cv(s) 和Ci(s) 分別為電壓和電流控制器傳遞函數(shù)，G1(s) 為電流環(huán)控制對象，G2(s) 為電流對電壓的傳遞函數(shù)，H(s) 是傳感器反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。

圖8 閉環(huán)控制框圖

在電壓外環(huán)中，以電池電壓差作為變量加以控制，電壓控制器產(chǎn)生電流內(nèi)環(huán)的雙向電流參考值。電流控制器的輸出產(chǎn)生開關(guān) S1的占空比的值。

電流反饋網(wǎng)絡(luò)采用開環(huán)霍爾傳感器 ACS714 加低通濾波器，可以求得反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：

利用 PSIM 對電壓均衡控制模式進行仿真，電池初始電壓隨機設(shè)置為 12 V、14 V 和 15 V。仿真結(jié)果如圖9所示，電流環(huán)提供最大充電電流，當(dāng)電壓差變小，電壓控制器的輸出電流減小，最后收斂到零。

圖9 均衡充電仿真波形

4 實驗結(jié)果與分析

電池充放電模塊測試如圖10 所示。其中，各系統(tǒng)組件分別為：A.輔助電源；B.散熱風(fēng)扇；C.DSP控制器；D.垂直 Buck-Boost 變換器；E.電流探頭；F.電池連接接口。均衡器樣機參數(shù)如表2所示。

圖10 均衡器樣機

表2 均衡器樣機參數(shù)表

均衡器中控制模塊采用數(shù)字信號控制器dsPIC33FJ64GS606 作為底層的電流控制器。該器件外設(shè)帶有豐富的 PWM 外設(shè)，利用邊沿對齊互補的 PWM 模式，生成兩路 100 kHz 的 PWM?？刂破鞯?AD 外設(shè)以 10 kHz 的采樣率 10 位精度進行兩路電流和電壓采樣并與給定參考值比較；最后將控制器以零階保持的方式進行雙線性變換進行離散化，可以實現(xiàn)連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)字化。均衡器兩種工作狀態(tài)測得的電感電流波形如圖11 所示。從電感電流來看，本論文設(shè)計的垂直 Buck-Boost 均衡裝置實現(xiàn)了預(yù)期的功能。

圖11 電感電流波形

5 結(jié)束語

本文研究了儲能設(shè)備的均衡充電方法。采用電壓控制的均衡方案，通過電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)電荷移動，電壓環(huán)補償電池的端電壓。仿真和實驗結(jié)果表明，所提出的均衡器能提供電荷最快移動并能有效地收斂到零電壓差。

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