甘正飛，胡社教

(合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥230009)

動(dòng)力電池組分組式均衡方案研究

甘正飛，胡社教

(合肥工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院，安徽合肥230009)

為了提高電動(dòng)汽車的續(xù)航里程，延長(zhǎng)動(dòng)力電池組的使用壽命，針對(duì)各單體電池間的不一致性問題，以buck-boost變換器法與傳統(tǒng)多變壓器法為基礎(chǔ)，提出一種新型的分組式雙向均衡方案，此方案在電池充電和放電階段都能實(shí)現(xiàn)均衡。給出了以SOC為參量的控制策略，并在Matlab-Simulink環(huán)境下搭建均衡模型，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了此方案的可行性。

動(dòng)力電池組；分組均衡；均衡控制；Simulink仿真

隨著石油資源的匱乏和燃油汽車尾氣排放量的日益增多，電動(dòng)汽車的發(fā)展越來越受到國(guó)家和地方政府的重視。電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池組由大量的單體鋰電池串聯(lián)而成，在使用過程中，由于制作工藝和工作環(huán)境等因素，各單體電池之間的性能存在著不一致性。這種不一致性會(huì)造成電池組在充放電時(shí)，個(gè)別單體電池過充或過放，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致該電池性能惡化，縮短電池的工作壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損害整個(gè)電池組[1]。因此，在電池組充放電時(shí)，對(duì)其進(jìn)行均衡控制顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的均衡方式有被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種。被動(dòng)均衡是目前運(yùn)用在實(shí)際中最多的均衡方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，且易于控制，但是存在著能量損耗和熱管理困難等問題[2]。主動(dòng)均衡是通過電感或電容等儲(chǔ)能元件把多余的能量?jī)?chǔ)存起來，并由控制器控制開關(guān)管實(shí)現(xiàn)能量在電池組或單體電池之間轉(zhuǎn)移的一種均衡方式，它不以消耗能量為代價(jià)，是當(dāng)前均衡研究的重點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)主動(dòng)均衡進(jìn)行了廣泛的研究，并提出了多種典型方案。文獻(xiàn)[3]介紹的飛度電容法，把電容作為儲(chǔ)能元件，運(yùn)用組合開關(guān)使能量在任意兩節(jié)單體電池之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，這種方法彌補(bǔ)了傳統(tǒng)電容法只能實(shí)現(xiàn)相鄰單體電池之間轉(zhuǎn)移能量的不足，但是其本身也存在著均衡電流不可控制，均衡效率不高等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]介紹了一種基于單變壓器的均衡方法，這種方法能實(shí)現(xiàn)電池組的雙向均衡，但其采用的是次級(jí)多繞組變壓器，使電路設(shè)計(jì)變得困難，而且也存在著單變壓器均衡效率不高的缺點(diǎn)。

本文首先分析buck-boost變換器法和傳統(tǒng)多變壓器法的工作原理，結(jié)合兩者的特點(diǎn)，提出一種新型的分組式雙向均衡方案，并通過仿真實(shí)驗(yàn)來證明此方案可以達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組的能量平衡。

1 buck-boost均衡電路與多變壓器均衡電路工作原理

1.1 buck-boost變換器法

buck-boost變換器法是利用電感作為儲(chǔ)能元件，通過電感的儲(chǔ)能與放能，使能量在相鄰的單體電池之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到能量的平衡[5]。圖1為buck-boost變換器法的均衡原理圖。

B1、B2、B3表示單體電池，電感L1與L2為儲(chǔ)能元件，Q1、Q2、Q3為用于均衡控制的MOSFET，D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管。

工作原理：以電池B1的能量高于電池B2為例，均衡過程分為兩個(gè)階段。第一階段，開啟Q1，此時(shí)B1、Q1、L1形成回路，電池B1放能，電感L1儲(chǔ)能；第二階段，關(guān)閉Q1，此時(shí)L1、B2、D2形成回路，電感L1放能，通過續(xù)流二極管D2給電池B2充能。通過不斷的控制Q1的狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)能量從B1向B2的轉(zhuǎn)移。同理，當(dāng)B2的能量高于B1時(shí)，可以控制Q2來轉(zhuǎn)移能量。

圖1 buck-boost變換器法均衡原理圖

這種方法能夠快速地實(shí)現(xiàn)相鄰單體電池之間的能量平衡，且在充電階段和放電階段均可適用。但是，如果需要均衡的兩節(jié)電池不是相鄰時(shí)，則需要借助于“中間”電池來完成。如圖1中，當(dāng)要把電池B1的能量轉(zhuǎn)移到電池B3時(shí)，首先要把B1中多余能量轉(zhuǎn)移到B2，再由B2轉(zhuǎn)移到B3。在相隔電池?cái)?shù)較多的情況下，此方法的均衡效率會(huì)明顯下降，均衡時(shí)間也會(huì)大幅增長(zhǎng)，而且在均衡過程中，給“中間”不需要均衡的電池循環(huán)地充放電，也無形中縮短了電池的使用壽命。因此，buck-boost變換器法僅適用于少量電池的快速均衡。

1.2 多變壓器法

多變壓器法是利用反激式變壓器作為能量載體，通過電能與磁能之間的轉(zhuǎn)換，使能量在單體電池與電池組之間形成轉(zhuǎn)移，從而達(dá)到能量的平衡[6]。以三節(jié)電池成組為例，圖2給出了多變壓器法均衡原理圖。

圖2 多變壓器法均衡原理圖

T1、T2、T3為反激式變壓器，Q11～Q32為用于均衡控制的MOSFET，D11～D32為續(xù)流二極管。

與buck-boost變換器法一樣，多變壓器法適用于充電均衡和放電均衡。充電均衡時(shí)，是將能量高的單體電池中多余的能量轉(zhuǎn)移到電池組中；放電均衡時(shí)，是將電池組中的能量轉(zhuǎn)移到能量低的單體電池中。

工作原理：充電均衡，以電池B1的能量偏高為例，均衡過程分為兩個(gè)階段。第一階段，開啟Q12，B1中“多余”的能量以磁能的形式存儲(chǔ)在變壓器T1的次級(jí)電感中，初級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓由于D11的反向偏置而被阻斷；第二階段，關(guān)閉Q12，次級(jí)繞組兩端電壓極性反向，初級(jí)繞組上的電壓極性也同時(shí)反向，促使D11導(dǎo)通，存儲(chǔ)在變壓器中的能量以電能的形式釋放到電池組中。放電均衡，以電池B2的能量偏低為例，同樣，均衡過程分為兩個(gè)階段。第一階段，開啟Q21，來自電池組中的能量以磁能的形式存儲(chǔ)在變壓器T2的初級(jí)電感中，次級(jí)繞組上的感應(yīng)電壓由于D22的反向偏置而被阻斷；第二階段，關(guān)閉Q21，初級(jí)繞組兩端電壓極性反向，次級(jí)繞組上的電壓極性也同時(shí)反向，促使D22導(dǎo)通，存儲(chǔ)在變壓器中的能量以電能的形式釋放到B2中。

這種方法實(shí)現(xiàn)的是單體電池與電池組之間的能量均衡。優(yōu)點(diǎn)是，同一時(shí)間能夠有多節(jié)單體電池進(jìn)行均衡，均衡效率較高。缺點(diǎn)是，每一個(gè)單體電池都需要對(duì)應(yīng)一個(gè)反激變壓器，導(dǎo)致整體電路龐大，而且還會(huì)加劇漏感現(xiàn)象。

2 新型分組式均衡方案的設(shè)計(jì)與分析

2.1 均衡原理圖

結(jié)合buck-boost變換器法與多變壓器法的特點(diǎn)，采取分組式均衡方式，把整個(gè)電池組n節(jié)單體電池分成若干子組。其中，每個(gè)電池子組均含有m節(jié)單體電池，即共有n/m個(gè)電池子組。以三個(gè)電池子組串聯(lián)為例，圖3給出新型主動(dòng)均衡電路的原理圖。

圖3 新型分組式均衡電路原理圖

系統(tǒng)均衡分為兩個(gè)階段：首先，采用buck-boost變換器法對(duì)每個(gè)電池子組內(nèi)部各單體電池進(jìn)行均衡；然后，采用多變壓器法對(duì)整個(gè)電池組進(jìn)行均衡。

這種方法不僅繼承了buck-boost變換器法和多變壓器法可實(shí)現(xiàn)充電均衡與放電均衡的優(yōu)點(diǎn)，而且還避免了前者在電池過多的情況下均衡效率偏低，及后者采用變壓器過多造成體積龐大及漏感的缺點(diǎn)。

2.2 均衡控制策略

系統(tǒng)的均衡共有兩個(gè)階段：組內(nèi)均衡和組間均衡(整體均衡)。圖4為均衡控制流程圖。

均衡的目的是改善單體電池之間能量的不一致性，提高電池組的容量利用率。而判斷能量是否平衡的依據(jù)主要有電池的外電壓和SOC兩種。以外電壓為依據(jù)的均衡策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)用較廣，但電池的外電壓受電池內(nèi)部直流內(nèi)阻和極化電壓的影響，并不能很好地反應(yīng)電池的能量情況。電池的SOC表示的是電池當(dāng)前的荷電狀態(tài)，以SOC為依據(jù)的均衡策略是以減小電池之間SOC的差異為目的，可以更好的提高電池組的容量利用率[7]。圖5給出了以SOC為依據(jù)的均衡判斷流程圖。

圖4 均衡控制流程圖

圖5 均衡判斷流程圖

對(duì)于圖5需要說明一點(diǎn)。由于本方案中，組間均衡采用的是多變壓器法，在系統(tǒng)進(jìn)入組間均衡階段，會(huì)判斷當(dāng)前電池組是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。若是處于充電狀態(tài)，只會(huì)判斷哪些子組的能量達(dá)到了均衡上限值，然后將這些子組中多余的能量轉(zhuǎn)移到整個(gè)電池組中，間接給能量低的子組補(bǔ)充能量，而并不是直接對(duì)能量低的子組進(jìn)行均衡。同理若是在放電階段，只會(huì)判斷哪些子組的能量達(dá)到了均衡下限值，然后將能量從整個(gè)電池組轉(zhuǎn)移到這些子組中。

2.3 均衡占空比

驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)占空比的選擇直接關(guān)系著均衡的效率[8]。對(duì)于組內(nèi)buck-boost變換器法均衡，要求其工作在DCM模式下，PWM占空比要小于50%[9]，通常取45%～48%。對(duì)于組間多變壓器法均衡，以放電均衡為例。

0～Ton期間：

設(shè)變壓器初級(jí)繞組N1上的電壓值為U1，初級(jí)繞組工作時(shí)相當(dāng)于一個(gè)電感，設(shè)其值為L(zhǎng)1，初級(jí)電感上電流的增長(zhǎng)速度為：

在t=Ton=DT時(shí)刻，初級(jí)電流達(dá)到最大值Ipmax：

式中：D為占空比，T為周期。

由式(1)和式(2)得：

在此期間，變壓器鐵心的磁通Φ的增加量為：

Ton～T期間：

設(shè)次級(jí)繞組N2上的電壓為U2，次級(jí)繞組工作時(shí)也相當(dāng)于一個(gè)電感，設(shè)其值為L(zhǎng)2，次級(jí)電感上的電流從最大值Ismax開始線性下降，下降速度為：

在此期間，變壓器鐵心的磁通Φ的減小量為：

在穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，要求變壓器鐵心的磁通量增加量DΦ(+)等于減少量DΦ(-)[10]，結(jié)合式(4)和式(6)有：

即可求得占空比：

同理，可求得充電均衡時(shí)的占空比：

式中：U1與U2分別為充電均衡時(shí)變壓器初、次級(jí)繞組上的電壓值。

3 系統(tǒng)仿真

為了驗(yàn)證均衡方案的可行性，在Matlab環(huán)境下，應(yīng)用Simulink工具包中SimPowerSystem模塊自帶的電池模型搭建仿真電路。在恒流充、放電的過程中對(duì)不同SOC值的六節(jié)電池進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。其中，每?jī)晒?jié)電池成一子組。圖6給出了仿真電路圖。

圖6 仿真電路圖

充電仿真和放電仿真都分為兩個(gè)階段，即組內(nèi)均衡與組間均衡。在本次仿真過程中，組內(nèi)均衡選取的開關(guān)驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的頻率為5 kHz，占空比45%，；組間均衡選取的開關(guān)驅(qū)動(dòng)PWM信號(hào)的頻率為10 kHz，占空比48%。

3.1 充電過程均衡仿真

如圖6所示，單體電池額定容量為6 Ah，6節(jié)單體電池SOC分別設(shè)置為85%、83%、80%、79%、78%、77%，可控電流源電流設(shè)置為1 C(6 A)。均衡過程各單體電池SOC變化情況如圖7所示。

圖7 充電過程均衡效果圖

整個(gè)充電均衡過程用了160 s，分成二個(gè)階段：0～49.2 s，電池子組1內(nèi)部的均衡。在此階段，B1的SOC上升較慢，而B2的SOC上升較快，B1、B2的SOC差距逐漸縮小。49.2～160 s，電池子組1與整個(gè)電池組之間的均衡。在此階段，B3、B4、B5、B6的SOC的上升速度有了一個(gè)較為明顯的提升，而B1、B2的SOC卻略有下降，說明B1、B2所組成的電池子組1在均衡過程放出的能量要大于直流充入的能量。均衡終止時(shí)刻各單體電池SOC基本達(dá)到一致，很好地抑制了B1、B2可能出現(xiàn)的過充電現(xiàn)象。

3.2 放電過程均衡仿真

放電過程均衡仿真與充電過程均衡仿真類似，6節(jié)單體電池SOC分別設(shè)置為26%、30%、33%、34%、35%、36%，可控電流源電流設(shè)置為－1 C(－6 A)。均衡過程各單體SOC變化情況如圖8所示。

整個(gè)放電均衡過程用了200 s，分成二個(gè)階段：0～80.1 s，電池子組1內(nèi)部的均衡。在此階段，B1的SOC下降較慢，而B2的SOC下降較快，B1、B2的SOC差距逐漸縮??；80.1～200 s，電池子組1與整個(gè)電池組之間的均衡。在此階段，B3、B4、B5、B6的SOC的下降速度明顯加快，而B1、B2的SOC卻略有上升，說明B1、B2所組成的電池子組1在均衡過程吸收的能量要大于直流放出的能量。均衡終止時(shí)刻各單體電池SOC基本達(dá)到一致，很好地抑制了B1、B2可能出現(xiàn)的過放電現(xiàn)象。

圖8 放電過程均衡效果圖

4 結(jié)論

本文結(jié)合buck-boost變換器法與多變壓器法，提出了一種新型的分組式雙向均衡方案，該方案繼承了buck-boost變換器法與多變壓器法兩者高效均衡的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)。文中給出了均衡方案的控制策略和在Matlab環(huán)境下的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明，新型均衡方案均衡效果明顯，可以很好地改善電池組的一致性問題。但本文的控制策略是以電池SOC為參量，實(shí)際應(yīng)用中如何精確地估算SOC值，尚在研究當(dāng)中。

[1]李索宇.動(dòng)力電池組均衡技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2011.

[2]牛萌，姜久春，郭宏榆.混合動(dòng)力車用電池均衡方案研究[J].微處理機(jī)，2010(5)：125-128.

[3]李頂根，李競(jìng)成，李建林.電動(dòng)汽車鋰離子電池能量管理系統(tǒng)研究[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28(8)：1522-1527.

[4]KWON Il，BAEK，KIM T H，et al.Modularized battery cell voltage equalization circuit using extended multi-w inding transformer[J]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2012(10)：349-353.

[5]SANG H P，KI B P，HYOUNG S K，et al.Single-magnetic cell-to-cell charge equalization converter w ith reduced number of transformer w indings[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(6)：2900-2911.

[6]武笛.基于雙向反激直流變換器的鋰離子電池均衡系統(tǒng)仿真研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2012.

[7]陳晶晶.串聯(lián)鋰離子電池組均衡電路的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[8]郭軍，劉和平，徐偉，等.純電動(dòng)汽車動(dòng)力鋰電池均衡充電的研究[J].電源技術(shù)，2012(4)：479-483.

[9]郭宏榆，姜久春，溫家鵬，等.新型電動(dòng)汽車絕緣檢測(cè)方法研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2011，25(3)：253-257.

[10]李平，何明華.一種鋰電池組均衡電路及其控制策略設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2011(10)：1214-1217.

Research on grouping equalization schemeof powerbattery pack

GAN Zheng-fei，HU She-jiao

(SchoolofComputer&Information，HefeiUniversity ofTechnology，HefeiAnhui230009，China)

In order to im prove the electric vehiclem ileage and prolong the service life of the power battery，a new type of grouping bidirectionalequalization scheme based on the methods of buck-boost converter and traditionalmultiple transformerwas proposed to resolve the inconsistency amongmonomer batteries.The scheme can achieve balance in the battery charge and discharge stage.The control strategy using SOC as a parameter was presented.The equilibrium modelwas built under the environment of Matlab-Simulink.The simulation experimentwas carried out. The resultproves the feasibility of the scheme.

power battery pack;grouping equalization;equalization control;Simulink simulation

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1434-04

2015-12-04

甘正飛(1988—)，男，安徽省人，碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測(cè)與控制。