魏業(yè)文，解園琳，李 梅，吳希韜

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌 443002；2.智慧能源技術(shù)湖北省工程研究中心(三峽大學(xué))，湖北宜昌 443002)

由于在生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)法保證單體電池參數(shù)的一致性，并且電池在使用過(guò)程中會(huì)使得其差異逐漸增大，這會(huì)極大地降低電池組性能，提高電池組使用風(fēng)險(xiǎn)[1]。對(duì)鋰離子電池組進(jìn)行均衡可以在一定程度上緩解這些問(wèn)題。傳統(tǒng)的主動(dòng)均衡電路都著眼于讓電量在單體電池之間進(jìn)行傳遞[2-4]。而可重構(gòu)均衡電路通過(guò)動(dòng)態(tài)地選擇儲(chǔ)能電池組中相應(yīng)單體電池為負(fù)載供電，達(dá)到均衡的目的[5]。文獻(xiàn)[6]通過(guò)實(shí)時(shí)控制相應(yīng)每節(jié)單體電池的兩個(gè)開(kāi)關(guān)，進(jìn)而對(duì)電池組進(jìn)行均衡。文獻(xiàn)[7]則是根據(jù)實(shí)際情況，動(dòng)態(tài)地決定電池組中供電電池個(gè)數(shù)。上述方法均會(huì)導(dǎo)致負(fù)載電壓出現(xiàn)不同程度的波動(dòng)。文獻(xiàn)[8]通過(guò)控制每一個(gè)DC-DC 變換器的電壓變換比例，在實(shí)現(xiàn)電池均衡的前提下穩(wěn)定電池組電壓，但其成本較高。文獻(xiàn)[9]考慮到整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)電池組的并聯(lián)來(lái)減少開(kāi)關(guān)的使用數(shù)目，但并沒(méi)有從根本上解決可重構(gòu)均衡電路的不足。

而在均衡方法方面，目前常用的均衡方法基本上都是當(dāng)電池組中某節(jié)電池電壓或SOC過(guò)高或過(guò)低時(shí)，均衡器便啟動(dòng)，對(duì)相應(yīng)電池進(jìn)行均衡。該方法非常簡(jiǎn)單,但是該方法的均衡效果卻并不是很理想，因?yàn)檫@可能會(huì)導(dǎo)致電池均衡能量多次來(lái)回流動(dòng)，導(dǎo)致均衡器做無(wú)用功。

本文擬在傳統(tǒng)可重構(gòu)均衡電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，利用均衡電源在電池均衡過(guò)程中或部分電池出現(xiàn)故障時(shí)維持負(fù)載端電壓。此外，本文擬提出一種均衡方法，在電池處于不同狀態(tài)下，調(diào)整需要均衡的電池，以降低均衡器做無(wú)用功的次數(shù)。

1 本文提出的均衡電路

本文所提出的均衡電路如圖1 所示。

圖1 均衡電路圖

圖1 中，均衡電源一般為多節(jié)電池組成，通過(guò)開(kāi)關(guān)以及直流變換器的配合，為負(fù)載供電。在放電過(guò)程中，開(kāi)關(guān)S3 以及與各單體電池串聯(lián)的開(kāi)關(guān)閉合，由儲(chǔ)能電池組中所有單體電池為負(fù)載提供能量。當(dāng)電池組中某單體電池電量較低，或出現(xiàn)故障必須退出運(yùn)行時(shí)，再斷開(kāi)與其串聯(lián)的開(kāi)關(guān)，閉合與其并聯(lián)的開(kāi)關(guān)，使該單體電池退出運(yùn)行。同時(shí)讓均衡電源的相應(yīng)開(kāi)關(guān)閉合，代替退出運(yùn)行的電池。同理，在充電時(shí)，可以通過(guò)讓電量較高的單體電池退出充電過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)電池均衡的目的。

為方便起見(jiàn)，對(duì)電路工作原理進(jìn)行分析時(shí)，均默認(rèn)均衡電源為一節(jié)與儲(chǔ)能電池組同型號(hào)的單體電池。此時(shí)，直流變換器為升壓變換器。

1.1 放電時(shí)工作原理分析

如圖2 所示，當(dāng)均衡電路正常工作時(shí)，與各儲(chǔ)能單體電池串聯(lián)的開(kāi)關(guān)均閉合，儲(chǔ)能電池組中所有單體電池均投入使用，而均衡電源此時(shí)并未投入使用。易知負(fù)載端電壓U1如式(1)所示。

圖2 正常放電時(shí)原理圖

式中：Vi為第i節(jié)單體電池的端電壓；n為電池組中單體電池個(gè)數(shù)。

假設(shè)需要對(duì)B1 電池進(jìn)行均衡，本均衡電路工作原理圖如圖3 所示。

圖3 對(duì)B1電池旁路

由于需要對(duì)B1 電池進(jìn)行均衡，控制開(kāi)關(guān)S11 斷開(kāi)而開(kāi)關(guān)S12 閉合，B1 電池即退出運(yùn)行?？刂婆c均衡電源串聯(lián)的開(kāi)關(guān)S1 閉合，均衡電源代替B1 電池投入使用，以維持負(fù)載電壓。在這種情況下，負(fù)載的端電壓U2如式(2)所示。

式中：Va為均衡電源電壓。由于均衡電源在此處為一節(jié)與儲(chǔ)能電池組同型號(hào)的電池，故存在：

即滿足：

此時(shí)負(fù)載端電壓并不會(huì)因?yàn)锽1 電池的退出運(yùn)行而產(chǎn)生相應(yīng)的波動(dòng)。相應(yīng)地，在這種情況下相較于使用升壓變換器，在轉(zhuǎn)換效率以及控制方便程度上都有較大的提高。

當(dāng)需要斷開(kāi)儲(chǔ)能電池組中多節(jié)電池時(shí)，控制開(kāi)關(guān)S2 閉合，均衡電源通過(guò)升壓變換器彌補(bǔ)退出運(yùn)行電池所降的總電壓。假設(shè)需要對(duì)B1 和B2 電池進(jìn)行均衡，此時(shí)本均衡電路的工作原理圖如圖4 所示。

圖4 對(duì)B1和B2電池旁路

同理，控制開(kāi)關(guān)S11 和開(kāi)關(guān)S21 斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)S12 和開(kāi)關(guān)S22 閉合，B1 和B2 電池均退出運(yùn)行。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)S2 閉合以及讓升壓變換器處于相應(yīng)的工作狀態(tài)，均衡電源即通過(guò)升壓變換器為負(fù)載供電，此時(shí)負(fù)載端電壓U3如式(5)所示。

式中：Vb為均衡電源通過(guò)升壓變換器后的電壓，此時(shí)亦滿足式(6)。

在這種情況下，均衡電源所承擔(dān)的電流是其他處于工作狀態(tài)的單體電池電流的兩倍。特別的，當(dāng)更多電池退出運(yùn)行時(shí)，升壓變換器的變比會(huì)更大。此時(shí)不僅僅會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率有所降低，而且還會(huì)加大均衡電源所承擔(dān)的電流，這會(huì)在某種程度上損害均衡電源。

值得注意的是當(dāng)單體電池因?yàn)槌霈F(xiàn)故障需要退出運(yùn)行時(shí)，均衡電源會(huì)以不同的形式為負(fù)載供電，與在放電時(shí)對(duì)電池進(jìn)行均衡相似，這里不再贅述。

1.2 充電時(shí)工作原理分析

對(duì)電池組進(jìn)行充電時(shí)，其工作原理與電池組放電類似。若B1 電池電量稍高，均衡電源需要充電時(shí)，如圖5 所示。

圖5 B1電池?cái)嚅_(kāi)時(shí)充電均衡原理圖

此時(shí)，控制開(kāi)關(guān)S11 處于閉合狀態(tài)，開(kāi)關(guān)S12 處于斷開(kāi)狀態(tài)，使外部電源暫時(shí)不為其充電?？刂婆c其余電池串聯(lián)的開(kāi)關(guān)以及S1 閉合。也就是說(shuō)，電量低的電池處于充電狀態(tài)，而電量較高的電池處于等待充電狀態(tài)。以此在充電時(shí)對(duì)儲(chǔ)能電池組中各單體電池進(jìn)行均衡。

以恒流充電階段為例，設(shè)電源充電電流為Ic，B1 電池的均衡時(shí)間t如式(7)所示。

式中：QB1為B1 電池的容量；ηc為其充電效率；ΔSOCB1為其需要均衡的SOC之差。在充電過(guò)程中，B1 電池的SOC值會(huì)逐漸趨向電池組SOC的平均值，實(shí)現(xiàn)充電過(guò)程中電池均衡的目標(biāo)。

2 提出的控制策略

由于電池組內(nèi)各單體電池性能服從正態(tài)分布[10]，若設(shè)定當(dāng)電池組中單體電池SOC與平均SOC之差達(dá)到ΔSOCset，則啟動(dòng)均衡，那么可以將電池組中單體電池根據(jù)其SOC劃分為放電過(guò)程中需要均衡的區(qū)域，不需要均衡的區(qū)域以及充電過(guò)程中需要均衡的區(qū)域，如圖6 所示。

圖6 本文提出的均衡策略的均衡區(qū)域劃分

圖6 中，將SOC較低的電池分類到放電過(guò)程中需要均衡的區(qū)域，是因?yàn)榭芍貥?gòu)均衡電路在放電過(guò)程中，可以很方便地通過(guò)減少該電池的放電時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)電池均衡的目的，也就是說(shuō)在放電過(guò)程中，可重構(gòu)均衡電路可以對(duì)SOC較低的電池實(shí)現(xiàn)均衡。同理，在充電過(guò)程中，可重構(gòu)均衡電路可以很方便地對(duì)電量較高的電池進(jìn)行均衡。

在放電階段，如圖4 所示，放電過(guò)程中需要均衡的區(qū)域內(nèi)單體電池會(huì)在相應(yīng)時(shí)間斷開(kāi)，以間接增加相應(yīng)單體電池SOC，故較低SOC的單體電池會(huì)逐漸趨近于電池組SOC的平均值。在多節(jié)電池被斷開(kāi)的時(shí)間內(nèi)，均衡電源會(huì)通過(guò)升壓變換器提供多倍的負(fù)載所需電流，而均衡電源的電流因此滿足式(8)：

式中：Imax為均衡電源所能承受的最大電流。當(dāng)電池組中存在可以均衡的電池時(shí)，可以適當(dāng)對(duì)多節(jié)電池進(jìn)行均衡，以加快均衡速度。

需要說(shuō)明的是，在放電過(guò)程中，電池組的可用容量受限于電量最低的單體電池而不是電量較高的單體電池；充電過(guò)程中，電池組的可用容量受限于電量最高的單體電池而不是電量較低的單體電池。故本文所提出的控制策略，在充放電過(guò)程中只對(duì)電量較高或電量較低的單體電池進(jìn)行均衡，同樣實(shí)現(xiàn)了增加電池組可用容量的目的，即實(shí)現(xiàn)電池組均衡的目的。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為證實(shí)所提出的均衡電路以及均衡方法的可行性，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。所使用的主控芯片為STM32F103，儲(chǔ)能電池組為7 節(jié)ICR 單體電池串聯(lián)組成，其容量為2 200 mAh，均衡電源為1 節(jié)與儲(chǔ)能電池組相同的電池，直流變換器為升壓變換器，負(fù)載使用滑動(dòng)變阻器模擬。由于實(shí)驗(yàn)可以提供精確的初始SOC，并且測(cè)試時(shí)間一般不會(huì)超過(guò)半小時(shí)，基本上只持續(xù)幾分鐘，故使用安時(shí)積分法估算電池SOC。使用開(kāi)發(fā)板自帶的顯示屏顯示電池組電壓，電流以及各電池SOC(state of charge)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖7 所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.1 均衡電路可行性驗(yàn)證

7 節(jié)儲(chǔ)能電池中，電池1 至電池5 的初始SOC均為90%，電池6 和電池7 的初始SOC均為89%。均衡電源的初始SOC為90%。各電池SOC變化情況如圖8 所示。

圖8 電池SOC變化情況(使用升壓變換器)

相應(yīng)的，負(fù)載端電壓變化情況如圖9 所示。

圖9 負(fù)載電壓變化情況

若在電池組處于放電階段，不使用升壓變換器，則電池的SOC變化曲線如圖10 所示。

圖10 電池SOC變化情況(不使用升壓變換器)

圖10 中，由于電池6 和電池7 退出運(yùn)行，為維持負(fù)載電壓的穩(wěn)定，均衡電源經(jīng)過(guò)升壓變換器代替退出運(yùn)行的兩節(jié)電池為負(fù)載供電。可以看到，除了電池6 和電池7 外，其余電池的SOC均逐漸下降。到約第100 s，電池1～電池5 的SOC已經(jīng)降到89%。此時(shí)均衡電源退出運(yùn)行，電池6 和電池7 開(kāi)始為負(fù)載供電。

圖10 中，由于沒(méi)有使用升壓變換器，放電開(kāi)始階段只有電池6 退出運(yùn)行，到約第100 s，電池7 退出運(yùn)行而電池6 為負(fù)載供電，直至約200 s，電池組達(dá)到均衡狀態(tài)，均衡電源退出運(yùn)行。

從圖8 和圖10 中可以看到，本文所提出的均衡電路與可重構(gòu)均衡電路一樣，可以較好地實(shí)現(xiàn)電池均衡的目的。圖8中，由于在初始階段，有兩節(jié)電池退出運(yùn)行，相較于圖10，雖然其均衡時(shí)間較短，但其SOC的下降速率也明顯比圖8 的快，這是因?yàn)榫怆娫此懦龅碾娏鞲蟆?/p>

從圖9 中可以看到，在電池處于放電階段，即使電池組處于均衡狀態(tài)，負(fù)載的端電壓并沒(méi)有出現(xiàn)明顯的跳躍或者時(shí)波動(dòng)，證明本文所提出的均衡電路可以較好地穩(wěn)定負(fù)載端電壓。

3.2 均衡方法可行性驗(yàn)證

由于此處只是驗(yàn)證本文所提出的均衡方法的可行性，故不考慮均衡電源的SOC變化情況。設(shè)置7 節(jié)儲(chǔ)能電池的初始SOC分別為82%，81%，80.5%，80%，79.5%，79%，78%。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)只針對(duì)單節(jié)電池退出運(yùn)行的情形，而不對(duì)復(fù)雜情況進(jìn)行討論。圖6 中ΔSOCset參數(shù)設(shè)置為1%，在電池組處于放電過(guò)程中，使用傳統(tǒng)的均衡控制策略時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11 所示。

圖11 傳統(tǒng)均衡策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

由于電池組始終處于放電狀態(tài)，從SOC最小的單體電池開(kāi)始。各單體電池分別中斷為負(fù)載供電過(guò)程，直至其SOC偏移值達(dá)到可接受范圍以內(nèi)。剛開(kāi)始第7 節(jié)電池?cái)嚅_(kāi)，在約第450 s，達(dá)到均衡所設(shè)條件而停止均衡，接著第6 節(jié)電池開(kāi)始啟動(dòng)均衡，跟前面的電池一樣，剩下的電池依次進(jìn)行均衡，直至滿足所設(shè)定的要求。

當(dāng)采用本文所提出的均衡控制策略進(jìn)行均衡時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12 所示。

圖12 本文所提出方法實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

在電池組放電階段，電池7 因?yàn)殡娏枯^低需要被均衡，約在第150 s，第7 節(jié)電池的SOC達(dá)到設(shè)定的閾值，因此在放電階段，其均衡目標(biāo)已經(jīng)完成。在充電階段，除電池1 外，其余電池的SOC逐漸上升，在約第780 s，第1 節(jié)電池的SOC達(dá)到設(shè)定閾值。至此，電池組內(nèi)所有的單體電池已經(jīng)達(dá)到均衡狀態(tài)。

相比較而言，兩種策略都能較好地實(shí)現(xiàn)電池組均衡的目的，但前者需要對(duì)6 節(jié)單體電池進(jìn)行均衡，均衡時(shí)間約1 300 s，而后者只需要對(duì)2 節(jié)單體電池進(jìn)行均衡，均衡所用時(shí)間約300 s。本文所提出的控制策略放電時(shí)只需要考慮圖6 中放電過(guò)程中需要考慮的均衡區(qū)域內(nèi)的電池，而在充電時(shí)只需要考慮圖6 中充電過(guò)程中需要考慮的均衡區(qū)域內(nèi)的單體電池，而且由于該區(qū)域電池?cái)?shù)目較少，故在均衡時(shí)較為方便。

4 結(jié)論

本文所提出的均衡電路，在傳統(tǒng)可重構(gòu)均衡電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)一個(gè)直流變換器與三個(gè)控制開(kāi)關(guān)與均衡電源的配合使用，可以在電池組處于均衡狀態(tài)下較好地維持負(fù)載端電壓。本電路不僅僅保留可重構(gòu)均衡電路在均衡過(guò)程中高靈活性和高轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)，而且附加成本較小。除此之外，還提出一種均衡方法，該方法充分利用可重構(gòu)均衡電路的特性，在保證電池組均衡的前提下優(yōu)化電池均衡數(shù)目。通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)證實(shí)所提出的均衡電路以及均衡策略具有可行性。