劉紅銳，李 博，郭奕旋，杜春峰，陳仕龍，錢 晶

（1.昆明理工大學電力工程學院，昆明 650500； 2.中國長江電力股份有限公司，宜昌 443000；3.昆明理工大學冶金與能源工程學院，昆明 650093）

前言

由于鋰離子電池具有體積小、質量輕、標稱電壓相對較高、循環(huán)壽命長和無記憶效應等優(yōu)點而備受電動汽車市場的青睞［1］。鋰離子單體電池標稱電壓介于3.2～3.6 V之間，使用時需要串聯大量的鋰離子電池來滿足電壓要求［2－6］。單體電池的過充電或過放電都將影響電池單體和電池組的使用壽命，甚至引發(fā)起火、爆炸等事故。因此，在多個單體電池串聯使用時，不允許任何單體電池出現過充電和過放電的情況。此外，大量單體串聯的鋰離子電池組在使用過程中會出現單體端電壓或SOC不一致的問題［7－8］。而電池組中能量最高的單體電池容量制約著電池組的充電容量，能量最低的單體電池容量制約著電池組的放電容量，以致隨著電池充、放電循環(huán)次數的增加，整個電池組的充電容量和放電容量會越來越?。?］，最終導致電池組提前報廢。因此，必須采取有效措施對串聯的鋰離子電池組進行能量均衡以提高電池組的充、放電容量，從而延長電池組的使用壽命。

1 現有均衡方法及其特點

根據均衡元器件的不同，現有的均衡器可以分為電阻均衡、電容均衡、電感均衡、LC均衡和變壓器均衡等。其中，電阻均衡屬于能耗均衡，而其它幾種均屬于非能耗均衡。電阻均衡，利用電阻直接消耗電池組中能量較高單體電池的不均衡電量使電池組達到均衡，該均衡方法能量損耗大［2］。電容均衡［10－13］，以電容作為能量載體，通過單體電池之間的電壓差實現能量均衡，但由于電池間的電壓差較小，所以均衡能量轉移困難。電感均衡［1，14－16］，以電感為能量載體，均衡電流相對容易控制，但均衡器的性能最終由均衡電路結構和均衡策略共同決定，文獻［14］中所提及的均衡器，便是以電感作為能量轉換的媒介，以Buck-Boost電路為基礎進行構建的，在一定程度上能改善各單體電池間的不一致性，提高電池組的充放電能量，但該均衡器的均衡電流斷續(xù)，因此均衡速度受到限制。文獻［1］和文獻［16］中考慮了電池的工作狀態(tài)，在電池的某種狀態(tài)下均衡時均衡電流連續(xù)，但并非每種工作狀態(tài)下的均衡電流都連續(xù)，因此均衡速度受到了限制。LC均衡［3，10，17］，通過 LC振蕩電路來實現能量的轉移，彌補了電容均衡電池之間電壓差較小的缺點，該類均衡器開關頻率較高、均衡電流斷續(xù)、均衡電路控制復雜，均衡效率較低。變壓器均衡［18－19］，主要以反激式變壓器作為能量轉移的載體，文獻［18］和文獻［19］中均衡電路的核心均是多次級繞組的雙向反擊式DC／DC轉換器，均衡電流斷續(xù)，且均衡能量不易控制，均衡效率低，均衡速度受到限制。

從均衡控制策略分析目前均衡器，主要存在以下問題：（1）未考慮電池的工作狀態(tài)；（2）被均衡的單體電池的均衡電流或能量斷續(xù)；（3）未考慮均衡電流對電池的影響。因而均衡器的性能在很大程度上受到限制。均衡電流連續(xù)和斷續(xù)兩種模式如圖1所示。當以同一均衡電流峰值轉移相同的能量時，電流連續(xù)模式所用的時間要短；當以相同的電流峰值在相同的時間內轉移能量時，均衡電流連續(xù)模式可以轉移更多的能量；當兩者在相同時間轉移相同能量時，均衡電流斷續(xù)模式的峰值電流更大。連續(xù)模式的均衡電流穩(wěn)定，能量轉移效率高，均衡速度快，而盡管具有高電流峰值的斷續(xù)電流也可以提高均衡速度，但是均衡電流不穩(wěn)定、不易控制，同時增加了均衡電路的負擔。另外，過大的均衡電流對蓄電池的使用壽命也是不利的。

圖1 均衡電流工作模式

為實現大電流均衡而不影響蓄電池的健康狀態(tài)，同時又可有效提高電池組的充、放電容量，本文中提出了一種基于Sepic-Zeta電路的動力電池組雙向均衡器。根據電池組不同的工作狀態(tài)采取不同的均衡控制策略，提出電池動態(tài)工作狀態(tài)下降低電池能量變化率的原則選擇均衡對象，實現均衡電流連續(xù)的電池組充電、放電和靜置狀態(tài)下的均衡。該均衡器拓撲電路原理簡單、均衡電流易控且連續(xù)，通過控制均衡電流的大小，實現均衡速度的靈活控制，因此均衡速度快、均衡效率高。

2 均衡器拓撲結構與工作原理

2.1 均衡器拓撲結構

均衡器的拓撲結構如圖2所示。其結構包括用于選通被均衡的單體電池的雙向雙層橋臂開關矩陣電路和均衡主電路。雙向雙層橋臂開關矩陣電路由上橋臂功率開關矩陣N和下橋臂功率開關矩陣S組成。均衡主電路由電感L1、電感L2、電容C、電源E、兩個帶反并聯二極管D1和D2的主控開關Q1和Q2構成。

圖2 均衡器拓撲結構

2.2 均衡器工作原理

該均衡器以電感L1、L2和電容C為儲能元件，根據電池組不同工作狀態(tài)通過開關矩陣選擇電池組中能量最高或最低的單體電池，分別對主控開關Q1或Q2進行PWM控制，其均衡電路等效為典型的Speic或Zeta斬波電路，均衡能量在單體電池和均衡電路之間可雙向轉移，被均衡單體電池的均衡電流均連續(xù)可控。

2.2.1 充電狀態(tài)下電池組的均衡原理

電池組工作在充電狀態(tài)時通過雙向橋臂開關矩陣選擇電池組中能量最高的單體電池，然后對主控開關Q1進行PWM控制，均衡主電路等效為典型的Speic斬波電路，且被選擇的單體電池位于Speic斬波電路的輸入端均衡放電，因此在整個PWM開關周期中均衡放電電流的連續(xù)、可控，被均衡的單體電池的充電電流減小，即能量變化率降低，從而整個電池組的充電容量得到有效、快速的提高。

在n個串聯的單體電池組成的電池組中，當電池組在充電狀態(tài)時，假設單體電池Cell i的能量最高。此時需要對Cell i進行均衡放電。此處所謂均衡放電，其實并非真正放電，而是在電池組其他電池進行充電的同時，將該單體電池單獨接上均衡電路，減小該單體的充電電流，降低其充電速度，以達到均衡的目的。均衡電路為曲型的Sepic斬波電路，其原理如圖3所示。通過控制開關矩陣中對應的放電開關N i2和S i2導通，使單體電池Cell i被選通，再對主控開關Q1進行PWM控制，且該單體電池位于斬波電路的輸入端。當Q1處于導通狀態(tài)時通過回路①、②使Cell i中的能量轉移到電感L1中，同時電容C中的能量轉移到L2中；當Q1處于斷開狀態(tài)時通過回路③、④使Cell i、L1、L2中的能量轉移到可調電壓源E中，同時對電容C充電。通過對主控開關Q1進行PWM控制實現對電池組中能量最高的第i個單體電池Cell i均衡放電控制，且均衡放電電流連續(xù)，均衡能量從單體電池Cell i向均衡器轉移。

圖3 電池組充電狀態(tài)下的均衡原理

2.2.2 放電狀態(tài)下電池組的均衡原理

電池組工作在放電狀態(tài)時通過雙向橋臂開關矩陣選擇電池組中能量最低的單體電池，然后對主控開關Q2進行PWM控制，均衡主電路等效為典型的Zeta斬波電路，且被選擇的單體電池位于Zeta斬波電路的輸出端被均衡充電，因此在整個PWM開關周期中均衡充電電流連續(xù)、可控，被均衡的單體電池的放電電流減小，即能量變化率降低，從而整個電池組的放電容量得到有效、快速的提高。

在n個串聯的單體電池組成的電池組中，當電池組處于放電狀態(tài)時，假設單體電池Cell j的能量最低。此時需要對Cell j進行均衡充電。此處所謂均衡充電，其實并非真正充電，而是在電池組其他電池進行放電的同時，將該單體電池單獨接上均衡電路，減小該單體的放電電流，降低其放電速度，以達到均衡的目的。均衡電路等效為典型的Zeta斬波電路，其原理如圖4所示。通過控制開關矩陣中對應的充電開關N j1和S j1導通，使單體電池Cell j被選通，再對主控開關Q2進行PWM控制，且該單體電池位于斬波電路的輸出端。在對Q2進行PWM控制的過程中，當Q2處于導通狀態(tài)時，能量通過回路①、②由可調電壓源E和電容C向Cell j轉移，同時電感L1、L2儲能；當Q2處于斷開狀態(tài)時，通過回路③使L2對電容C充電，通過回路④使L1中的能量轉移到Cell j中。通過對主控開關Q2的PWM控制實現對電池組中能量最低的第j個單體電池Cell j均衡充電控制，均衡充電電流連續(xù)，均衡能量從均衡器向單體電池Cell j中轉移。

圖4 電池組放電狀態(tài)下的均衡原理

2.2.3 靜置狀態(tài)下電池組的均衡原理

電池組在靜置狀態(tài)下，可以采用以上兩種均衡控制策略中的一種，但為有效降低電池組中各單體電池間能量的不一致性，此時選擇電池組中能量差異性最大的單體電池進行均衡放電或均衡充電，其對應的等效電路為Sepic或Zeta斬波電路。如果電池組中能量差異最大的單體電池的能量最高，則通過選通該單體電池的放電開關，同時對Q1進行PWM控制，均衡電路為Sepic斬波電路，其均衡原理同2.2.1節(jié)。如果電池組中能量差異最大的單體電池的能量最低，則通過選通該單體電池的充電開關，同時對Q2進行PWM控制，均衡電路為Zeta斬波電路，其均衡原理同2.2.2節(jié)。

3 均衡實驗

3.1 實驗平臺

實驗中，電池組是由5個串聯的磷酸鐵鋰電池（LiFePO4）組成，單體電池額定電壓為 3.2 V，額定容量為21 A·h。實驗中均衡器的主控開關為IRF3205的低導通電阻的MOSFET，其靜態(tài)漏 源極導通電阻為8 mΩ。使用μC-KGCFSH微電腦電池化成充放電電源對電池組進行充放電狀態(tài)控制，通過DPO 3014數字熒光示波器觀測PWM波及均衡電流波形。實驗平臺如圖5所示，它除充放電電源、均衡器和示波器外，還包括直流驅動電源、可調電壓源、電流傳感器和電壓傳感器等設備。

圖5 實驗平臺

3.2 均衡實驗

在所搭建的實驗平臺上，先后進行電池組充電、放電和靜置狀態(tài)下的均衡實驗，利用μC-KGCFSH微電腦電池化成充放電電源控制充、放電電流保持在10 A水平。電池組中單體電池Cell1～Cell5初始SOC值分別為20%、15%、10%、25%、30%。實驗中通過記錄均衡實驗過程中各單體電池的SOC變化曲線分析均衡效果，而SOC值則根據單體電池端電壓值和U-SOC曲線得到，即采用開路電壓法對SOC進行估算。均衡實驗前需要提取實驗中所用到的磷酸鐵鋰電池的充、放電U-SOC曲線，然后擬合得到磷酸鐵鋰電池的U-SOC曲線。電池組充、放電狀態(tài)均衡實驗停止條件分別為：（1）在電池組充電狀態(tài)下，若電池組中有任意一個單體電池SOC值接近（80±2）%時則停止電池組充電實驗；（2）在電池組放電狀態(tài)下，若電池組中有任意一個單體電池SOC值接近（20±2）%時則停止電池組放電實驗。均衡停止條件為：在實驗過程中具有最高SOC值的單體電池與具有最低SOC值的單體電池的SOC差值小于1%，則關閉均衡器停止對電池組均衡。

3.2.1 充電均衡實驗

實驗過程中選擇電池組中SOC值最高的單體電池進行均衡放電。該單體電池被雙向橋臂開關選通作為Speic斬波電路輸入端而進行連續(xù)均衡放電，該單體電池的充電電流減小，直至該單體電池的SOC值與平均SOC值的差值在±1%范圍內時停止對其均衡。此時若充電狀態(tài)均衡實驗過程仍未結束，則繼續(xù)選擇當前電池組中SOC值最高的一個單體電池進行均衡放電。均衡實驗中，主控開關Q1的頻率為 20.84 kHz，占空比為 63.33%。

實驗中，首先選擇電池組中SOC值最高的單體電池Cell5進行均衡放電，此時主控開關Q1的驅動電壓PWM波和Cell5的均衡放電電流波形如圖6所示，均衡電流平均值大約為2 A。

圖6 驅動電壓和均衡放電電流波形

均衡實驗進行到第66 min時，單體電池Cell5的SOC值均衡到與平均SOC值的差值在±1%范圍內，因此需要停止對該單體電池均衡放電，此時Cell1～Cell5的 SOC值分別為 68.85%、63.95%、58.20%、73.85%、66.20%，平 均 SOC 值 為66.21%。下一時刻選擇電池組中SOC值最高的單體電池Cell4均衡放電，到第72 min時電池組達到充電截至條件，充電均衡實驗結束時Cell1～Cell5的SOC值分別為 79.45%、73.25%、68.20%、80.55%、76.85%。均衡時間為72 min，均衡實驗過程中各單體電池的SOC變化曲線如圖7所示。

圖7 充電均衡實驗SOC變化曲線

3.2.2 放電均衡實驗

以上述均衡實驗結束時各單體電池的SOC值為初始值進行電池組放電狀態(tài)下的均衡實驗。實驗過程中選擇具有最低SOC值的單體電池進行均衡充電，該單體電池被雙向橋臂開關選通作為Zeta斬波電路的輸出端而被均衡充電，該單體電池的放電電流減小，直至該單體電池的SOC值與平均SOC值的差值在±1%范圍內時停止對其均衡。此時若電池組放電狀態(tài)均衡實驗過程仍未結束，則繼續(xù)選擇當前電池組中具有最低SOC值的單體電池繼續(xù)進行均衡充電。均衡實驗中，主控開關Q2的開關頻率為20.41 kHz，占空比為 45.72%。

實驗中，首先選擇電池組中SOC值最低的單體電池Cell3進行均衡充電，此時主控開關Q2的驅動電壓PWM波和Cell3的均衡充電電流波形如圖8所示，均衡電流平均值大約為2 A。

圖8 驅動電壓和均衡充電電流波形

均衡實驗進行到第60 min時，單體電池Cell3的SOC值均衡到與平均SOC值的差值在±1%范圍內，因此需要停止對該單體電池均衡充電，此時Cell1～Cell5的 SOC值分別為 31.80%、25.50%、30.85%、33.35%、29.65%，平均SOC值為30.23%。下一時刻選擇電池組中SOC值最低的單體電池Cell2均衡充電，直到第66 min時達到停止放電實驗條件，放電結束時 Cell1～Cell5的SOC值分別為27.50%、21.95%、25.35%、28.10%、24.30%。均衡時間為66 min。實驗過程中各單體電池SOC變化曲線如圖9所示。

圖9 放電均衡實驗SOC變化曲線

3.2.3 靜置均衡實驗

以上述均衡實驗結束時各單體電池的SOC值為初始值進行電池組靜置狀態(tài)下的均衡實驗。均衡實驗過程中選擇SOC值與平均SOC值差異最大的單體電池進行均衡充電或均衡放電，相應的均衡電路為Sepic或Zeta斬波電路。當被選擇的單體電池SOC值均衡到與平均SOC值的差值在±1%范圍內后，接著選擇下一個需要被均衡的單體電池繼續(xù)均衡，直到各單體電池間的SOC值最大差異降低到1%為止。

實驗中，首先選擇SOC值與平均SOC值差異最大的單體電池Cell2進行均衡充電，使Cell2作為Zeta斬波電路的輸出端而被均衡充電。實驗進行到第36 min時，被均衡單體電池Cell2的SOC值與平均SOC值的差值在±1%范圍內，因此需停止對其均衡充電，此時Cell1～Cell5的SOC值分別為27.50%、26.75%、25.35%、28.10%、24.30%，平均 SOC值為26.40%。下一時刻選擇電池組中SOC值差異最大的單體電池 Cell5進行均衡充電，實驗進行到第54 min時，被均衡的單體電池Cell5的SOC值與平均SOC值的差值在±1%范圍內，因此停止對其均衡充電，此時 Cell1～Cell5的 SOC值分別為 27.50%、26.75%、25.35%、28.10%、27.10%，平均 SOC值為26.96%。下一時刻選擇SOC值差異最大的單體電池Cell3繼續(xù)進行均衡充電，實驗進行到第66 min時，被均衡的單體電池Cell3的SOC值與平均SOC值的差值在±1%范圍內，因此停止對其均衡，此時Cell1～Cell5的 SOC值分別為 27.50%、26.75%、27.40%、28.10%、27.10%，平均 SOC值為 27.37%。下一時刻選擇電池組中SOC值差異最大的單體電池Cell4進行均衡放電，實驗進行到第72 min時，被均衡的單體電池Cell4的SOC值與平均SOC值的差值在±1%范圍內，因此停止對其均衡，此時Cell1～Cell5的 SOC值分別為 27.50%、26.75%、27.40%、27.30%、27.10%，平均 SOC值為 27.21%。同時，各單體電池間的SOC值的最大差異低于1%，因此滿足停止均衡條件，實驗結束。均衡時間為72 min，靜置均衡實驗過程中，各單體電池的SOC變化曲線如圖10所示。

圖10 靜置均衡實驗SOC變化曲線

3.3 實驗結果分析

實驗結果分析中采用SOC值的方差衡量電池組各單體電池的一致程度。SOC值的方差越小，各單體電池的一致性越好；反之方差越大，各單體電池的一致性越差。

平均SOC值和SOC值的方差的計算公式為

式中：SOCav為平均SOC值；SOCi為第i個單體電池的 SOC值；δ2soc為SOC值的方差。

各單體電池的初始SOC值分別為20%、15%、10%、25%、30%，經過72 min的充電均衡實驗，各單 體 電 池 的 SOC 值 變 為 79.45%、73.25%、68.20%、80.55%、76.85%，經計算，其方差 δ2SOC從50降為20.23。經過66 min的放電均衡實驗后，各單 體 電 池 的 SOC 值 變 為 27.50%、21.95%、25.35%、28.10%、24.30%，其方差 δ2SOC降為 4.96。最后，經過72 min的靜置均衡實驗后，各單體電池的 SOC 值 變 為 27.50%、26.75%、27.40%、27.30%、27.10%，其方差 δ2SOC降為 0.07。各單體電池間最大SOC差值由20%降為0.75%?？梢?，經過均衡后，電池組中各單體電池的一致性得到有效提高。

實驗過程中被均衡的單體電池的均衡電流波形如圖6和圖8所示，均衡電流穩(wěn)定、連續(xù)，且容易控制。均衡實驗中，均衡電流平均值為2 A，實際中根據單體電池的能量不一致程度及對均衡速度的具體要求，控制所需要的均衡電流大小，均衡電流越大，均衡速度就越大。均衡電流連續(xù)且可控，通過增加均衡電流可靈活提高均衡速度。

電池組在不同的工作狀態(tài)下采取不同的均衡控制策略和均衡拓撲電路。充電均衡中，通過降低能量最高的單體電池的能量上升率來提高整個電池組的充電容量。放電均衡中，通過降低能量最低的單體電池的能量下降率來提高整個電池組的放電容量。在電池組的動態(tài)工作狀態(tài)下，被均衡的單體電池能量變化率總是減小的，有利于電池的健康使用，同時均衡能量連續(xù)且可控。

4 結論

針對鋰離子電池組的工作特性和工作狀態(tài)，提出了一種基于Sepic-Zeta混合斬波電路的動力電池組雙向能量均衡器。根據電池組所處的不同狀態(tài)采取不同的均衡策略和均衡拓撲電路，當電池組處于充電狀態(tài)時，選擇電池組中SOC值最高的單體電池作為均衡對象進行均衡放電，此時均衡電路等效于Sepic斬波電路，且均衡對象位于Sepic斬波電路的輸入端，因此均衡放電電流連續(xù)；當電池組處于放電狀態(tài)時，選擇電池組中SOC值最低的單體電池作為均衡對象進行均衡充電，此時均衡電路等效于Zeta斬波電路，且均衡對象位于Zeta斬波電路的輸出端，因此均衡充電電流連續(xù)；當電池組處于靜置狀態(tài)時，選擇電池組中能量差異最大的單體電池進行均衡充電或均衡放電。該均衡器及其相應的均衡策略可有效降低各單體電池之間的能量差異，均衡電流連續(xù)且可控，由于均衡電流連續(xù)，因此大的均衡電流容易實現，進而均衡速度可靈活調控。本文中搭建了鋰離子電池組均衡實驗平臺，完成了均衡實驗。實驗結果表明，該均衡器和均衡策略可以有效提高電池組的充、放電容量，快速、穩(wěn)定地減小電池組中各單體電池間的差異。此均衡器可以運用到鋰離子電池電動汽車上，達到增加電動汽車續(xù)航里程、延長電池組使用壽命的目的。