曹 朔，李恭斌，王運(yùn)輝，楊少帥

(華能華家?guī)X風(fēng)力發(fā)電有限公司，甘肅蘭州 730000)

鋰離子電池因其高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車儲(chǔ)能系統(tǒng)[1]。通常將多節(jié)電池串聯(lián)一起來(lái)實(shí)現(xiàn)高電壓輸出。由于電池的不一致性，電池組在充電和放電過(guò)程中可能會(huì)過(guò)度充電和過(guò)度放電。除了存在安全隱患之外，這還會(huì)縮短電池組的壽命。因此，通過(guò)均衡電路對(duì)電池組進(jìn)行均衡操作是非常有必要的[2-5]。

均衡方式可分為被動(dòng)和主動(dòng)兩類[6]?？紤]均衡中的能量利用率、均衡速度等問題，主動(dòng)均衡成為研究熱點(diǎn)。主動(dòng)均衡電路拓?fù)渲胸?fù)責(zé)能量傳遞的儲(chǔ)能元件基本上有三大類[7]：電容類、電感類、變壓器類。電容均衡[8]使用電容器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，其通過(guò)電池之間的電壓差實(shí)現(xiàn)能量均衡。然而，電池之間的小電壓差使得難以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的均衡。張等[9]學(xué)者提出了一種基于電感的新型分層雙向均衡器。這種均衡器由兩層并聯(lián)的平衡電路組成，每層包含多個(gè)基于降壓/升壓轉(zhuǎn)換器的均衡子電路。此種電路需要對(duì)均衡路徑和均衡閾值的動(dòng)態(tài)調(diào)整，控制復(fù)雜度高。而傳統(tǒng)的分層電路[10]，需要依次滿足各級(jí)的均衡條件才能進(jìn)行均衡，限制了電路的能量傳遞的效率。

綜上所述，現(xiàn)有的均衡拓?fù)潆娐菲毡榇嬖诰馑俣嚷⒕饽芰靠煽匦圆?、均衡效果不理想等問題。為此，本文實(shí)現(xiàn)了一種基于分層電感的主動(dòng)均衡電路拓?fù)浼翱刂撇呗??；贐uck-Boost 有源分層均衡電路，提出了組內(nèi)和組間同時(shí)均衡的控制策略，在靜置、充電和放電三種狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的快速均衡。

1 主動(dòng)均衡電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

1.1 均衡電路

本文設(shè)計(jì)的均衡電路如圖1 所示。整個(gè)均衡電路包括形成第一層均衡組的兩個(gè)相鄰單元和一個(gè)均衡模塊。兩個(gè)相鄰的第一層均衡組與均衡模塊一起構(gòu)成第二層均衡組。兩個(gè)相鄰的第二層均衡組連同均衡模塊形成第三層均衡組，以此類推。因此，根據(jù)電池串聯(lián)部分的總數(shù)，電池被分成幾層。電池均衡模塊由兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和一個(gè)儲(chǔ)能電感組成，具體的構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 電池均衡拓?fù)?/p>

假設(shè)電池的串聯(lián)數(shù)為n節(jié)。如果n為奇數(shù)，最后一節(jié)電池作為一級(jí)均衡組；如果n為偶數(shù)，則每?jī)蓚€(gè)電池當(dāng)作一級(jí)均衡組。本文所述均衡電路中使用的均衡模塊數(shù)量為n－1，即MOSFET 數(shù)量為2n－2，電感數(shù)量為n－1。這種布置可以在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電池之間的均衡，能夠縮短均衡路徑，并加快均衡時(shí)間。

1.2 均衡電路的工作原理

本文以四節(jié)電池為例，闡述了電路的主動(dòng)均衡原理。均衡電路的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 均衡電路

電池組在靜止?fàn)顟B(tài)下的均衡過(guò)程比在充放電狀態(tài)下的均衡過(guò)程簡(jiǎn)單，充放電狀態(tài)下的均衡過(guò)程包括靜止?fàn)顟B(tài)下的均衡過(guò)程。因此，重點(diǎn)在于充電和放電狀態(tài)下的均衡過(guò)程，以下將分別介紹充電和放電狀態(tài)下的均衡過(guò)程。

(1)充電均衡過(guò)程

當(dāng)電池組被充電時(shí)，假設(shè)電池B1 的電壓高于電池B2 的電壓，并且電池B1 和電池B2 的平均電壓大于電池B3 和電池B4 的平均電壓。當(dāng)達(dá)到平衡閾值時(shí)，啟動(dòng)均衡操作。具體條件如式(1)和(2)所示：

式中：VT為平衡閾值電壓。本文將VT取為0.025 V。電路的開關(guān)周期用T表示，占空比用D表示，運(yùn)行時(shí)間用t表示，均衡主要分為以下兩個(gè)階段：

第一階段：0 ＜t＜DT，如圖3(a)所示。從圖3(a)中可以看出，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1 導(dǎo)通，電池B1、場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1和電感L1 形成回路，構(gòu)成第一層的均衡組。電池B1 為電感L1 充電。當(dāng)t=DT時(shí)，電感L1 電流達(dá)到最大值。同時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q5 導(dǎo)通。電池B1 和B2、場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q5 和電感L3 形成一個(gè)環(huán)路，構(gòu)成第二層的均衡組。電池B1 和B2 給電感L3 充電。當(dāng)t=DT時(shí)，電感L3 中的電流達(dá)到最大值。

在這個(gè)階段，流經(jīng)電池B1 和B2 的充電電流分別如式(3)和(4)所示：

式中：I為電源的充電電流；iB1a為流過(guò)電池B1 的電流；iB2a為流過(guò)電池B2 的電流；iL1a為流過(guò)電感L1 的電流；iL3a為流過(guò)電感L3 的電流。

第二階段：DT＜t＜T，如圖3(b)所示。此時(shí)，二極管D2進(jìn)行續(xù)流，電池B2、二極管D2、電感L1 組成儲(chǔ)能電路，構(gòu)成第一層均衡組。電感L1 放電到電池B2，直到電感L1 中的電流降為零；當(dāng)二極管D6 續(xù)流時(shí)，電池B3 和B4、二極管D6 和電感L3 形成能量存儲(chǔ)電路，構(gòu)成第二層的均衡組。電感L3向電池B3 和B4 放電，直到其電流降至零。

圖3 充電均衡

在這個(gè)階段，流經(jīng)電池B2 和B3 的充電電流如式(5)和(6)所示：

式中：I為電源的充電電流；iB2b為流過(guò)電池B2 的電流；iB3a為流過(guò)電池B3 的電流；iL1b為電感L1 放電的電流；iL3b為電感L3 放電的電流。

(2)放電均衡過(guò)程

當(dāng)電池組放電時(shí)，假設(shè)電池B4 的電壓低于電池B3 的電壓，并且B3 和B4 的平均電壓小于B1 和B2 的平均電壓。當(dāng)達(dá)到均衡閾值時(shí)，如式(7)和(8)所示：

此時(shí)，均衡電路執(zhí)行均衡。電路的開關(guān)周期用T表示，占空比用D表示，運(yùn)行時(shí)間用t表示，均衡主要分為以下兩個(gè)階段：

第一階段：0 ＜t＜DT，如圖4(a)所示。從圖4(a)中可以看出，此時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q3 導(dǎo)通，電池B3、場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q3和電感L2 形成回路，這是第一層的均衡組。電池B3 給電感L2 充電。當(dāng)t=DT時(shí)，電感L2 中的電流達(dá)到最大值。同時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q5 導(dǎo)通。電池B1 和B2、場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q5 和電感L3 形成一個(gè)環(huán)路，這是第二層的均衡組。電池B1 和B2給電感L3 充電。t=DT時(shí)，關(guān)斷充電，電感L3 電流達(dá)到最大。

在這個(gè)階段，流經(jīng)電池B2 和B3 的放電電流如式(9)和(10)所示：

式中：I為電源的放電電流；iB2a為放電時(shí)流經(jīng)電池B2 的電流；iB3a為流經(jīng)電池B3 的電流；iL3a為流經(jīng)電感L3 的電流；iL2a為流經(jīng)電感L2 的電流。

第二階段：DT＜t＜T，如圖4(b)所示。此時(shí)，二極管D4 執(zhí)行續(xù)流，電池B4、二極管D4 和電感L2 形成儲(chǔ)能電路，構(gòu)成第一層的均衡組。電感L2 放電到電池B4 中，直到電感L2 的電流下降到零；當(dāng)二極管D6 接通時(shí)，電池B3 和B4、二極管D6和電感L3 形成儲(chǔ)能電路，該儲(chǔ)能電路是第二層的均衡組。電感L3 向電池B3 和B4 放電，直到其電流降至零。

圖4 放電均衡

在這個(gè)階段，流過(guò)B3 和B4 的放電電流分別表示為：

式中：I為電源的放電電流；iB3b為放電時(shí)流經(jīng)電池B3 的電流；iB4a為流經(jīng)電池B4 的電流；iL3b為電感L3 放電的電流；iL2b為電感L2 放電的電流。

2 均衡控制策略

為了實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組的快速均衡，以有源分層均衡電路和電壓為均衡條件，提出了組內(nèi)和組間同時(shí)均衡的控制策略。

控制策略主要采用相鄰平均壓差法，即在每?jī)蓚€(gè)小區(qū)之間以及每層兩個(gè)相鄰均衡組之間設(shè)置閾值均衡。當(dāng)串聯(lián)單元的數(shù)量為偶數(shù)，即n為偶數(shù)時(shí)，每層中相鄰均衡組的工作條件如式(13)所示：

當(dāng)串聯(lián)單元數(shù)為奇數(shù)，即n為奇數(shù)時(shí)，每層相鄰均衡組的工作條件如式(14)所示：

當(dāng)每層均衡達(dá)到均衡閾值時(shí)，開啟相應(yīng)的均衡模塊進(jìn)行電池均衡。本文將電壓閾值VT視為0.025 V。

由四個(gè)鋰離子電池組成的串聯(lián)電池組所采用的分層同時(shí)均衡控制策略流程圖如圖5 所示。

圖5 分層均衡控制策略

由圖5 可知，采用組內(nèi)和組間同時(shí)均衡的控制策略，首先檢測(cè)四節(jié)電池的電壓，判斷閾值如下：(1)如果VB2－VB1≥VT，則均衡模塊A1 開啟，否則，均衡模塊A1 不工作；(2)如果VB4－VB3≥VT，則均衡模塊A2 啟用，否則，均衡模塊A2 不工作；(3)如果(VC1－VC2)/2 ≥VT，則均衡模塊A3 開啟，否則，均衡模塊A3 不工作。

以上三個(gè)條件同時(shí)判斷。當(dāng)任何一個(gè)達(dá)到打開狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)的均衡模塊打開。均衡模塊工作時(shí)，組內(nèi)電流和組間電流由脈寬調(diào)制器控制；選擇的脈寬調(diào)制波頻率為10 kHz。為了確保均衡過(guò)程中可以釋放所有能量，防止電感飽和，占空比需要設(shè)置為D≤0.5。在本文的設(shè)計(jì)中，占空比取為0.45。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的有效性，將本文提出的均衡策略與傳統(tǒng)的均衡策略進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比較。傳統(tǒng)的均衡策略流程圖如圖6 所示。

圖6 傳統(tǒng)均衡控制策略

基于相同的均衡拓?fù)洌趥鹘y(tǒng)的分層均衡策略中，各層級(jí)的均衡模塊不會(huì)同時(shí)進(jìn)行。第一層的均衡模塊首先執(zhí)行均衡。局部均衡后，第二層進(jìn)行均衡，即實(shí)現(xiàn)組內(nèi)均衡后再進(jìn)行組間均衡。

為了更好地量化均衡效果，提出兩個(gè)指標(biāo)分別是時(shí)間效率μ和不一致性參數(shù)η，其具體的計(jì)算如式(15)和(16)所示：

式中：T1為對(duì)照組所需要的均衡時(shí)間；T0為實(shí)驗(yàn)組所需要的均衡時(shí)間；n為電池組的電池個(gè)數(shù)；Vi為各電池的電壓；Vave為電池組的平均電壓。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 均衡電路的參數(shù)計(jì)算

以單體電池B1 和B2 均衡為例，分析了均衡過(guò)程(B1 電壓大于B2 電壓)。電流波形如圖7 所示。

圖7 電流波形圖

圖7 中：Vgs為MOSFET 的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；IL為流經(jīng)電感的電流；Ip為流經(jīng)電感的電流最大值；I1為流經(jīng)MOSFET Q1 的電流；I2為流經(jīng)續(xù)流二極管D2 的電流。當(dāng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管Q1 導(dǎo)通時(shí)，IL1流經(jīng)電感器L1。當(dāng)開關(guān)頻率較高時(shí)，IL1近似線性上升，而電感器L1 被充電以存儲(chǔ)能量。

式中：VB1為電池B1 的電壓；L為電感的值；t1為MOSFET 的導(dǎo)通時(shí)間；D為開關(guān)的占空比；T為開關(guān)的周期。

IL1在DT達(dá)到其最大值Ip，此時(shí)MOSFET Q1 被關(guān)閉。能量存儲(chǔ)在電感器中的電流通過(guò)二極管D2 續(xù)流，電流近似線性下降到零：

因此，在一個(gè)開關(guān)周期中流經(jīng)電池B1 的電流的平均值為：

在一個(gè)開關(guān)周期中流經(jīng)電池B2 的電流平均值為：

為了在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)將存儲(chǔ)在電感中的能量完全釋放到電池B2 中，應(yīng)避免電感飽和，以實(shí)現(xiàn)可靠的復(fù)位。因此，開關(guān)的占空比設(shè)計(jì)為不超過(guò)0.5，使得D≤0.5。

本設(shè)計(jì)將場(chǎng)效應(yīng)晶體管的頻率設(shè)置為10 kHz，促使均衡開始的條件是電壓差ΔU≥0.025 V。最大均衡電流為2 A，鋰電池的標(biāo)稱電壓和容量分別為3.6 V 和2.2 Ah。用式(15)選擇100 μH 的均衡電感(連接在單個(gè)電池之間)，而對(duì)于組間的均衡電感器，使用200μH 的電感。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)了所提出均衡策略2 和傳統(tǒng)的均衡策略1 的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別在三種電池狀態(tài)下進(jìn)行驗(yàn)證，即靜置均衡、充電均衡和放電均衡。

(1)靜置均衡實(shí)驗(yàn)

在靜置均衡實(shí)驗(yàn)前，將四節(jié)電池設(shè)置為不同的電壓值，其中三節(jié)電池充滿電，即SOC為100%；另一個(gè)電池的電壓設(shè)置為大約3.8 V。圖8 為電池組靜置均衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖8 靜置均衡實(shí)驗(yàn)圖

從圖8 可以看出，電池組被均衡后，四單元電池電壓的不一致性顯著改善。在均衡的后期，可以看出各個(gè)電池的電壓值趨于一致。在本文中，均衡策略1 可以在大約110 min 內(nèi)完成電池均衡，而均衡策略2 在73 min 內(nèi)完成均衡。在均衡時(shí)間方面，本文提出的均衡策略2 的均衡速度比均衡策略1 高33.6%。

(2)充電均衡實(shí)驗(yàn)

在充電均衡實(shí)驗(yàn)前，將四節(jié)電池設(shè)置為不同的電壓值，其中三節(jié)電池完全放電，即SOC為0%；另一個(gè)電池電壓設(shè)置為大約3.70 V。圖9 為電池組充電均衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9 充電均衡實(shí)驗(yàn)圖

從圖9 可以看出，在電池組被均衡后，四個(gè)電池的電壓不一致性顯著改善。在均衡的后期，可以看出電池單元的電壓值趨于一致。在本文中，均衡策略1 可以在大約78 min 內(nèi)完成電池均衡，而均衡策略2 可以在58 min 內(nèi)完成均衡。關(guān)于完成電荷均衡所需的時(shí)間，本文提出的均衡策略的速度比均衡策略1 高25.6%。

(3)放電均衡實(shí)驗(yàn)

在放電均衡實(shí)驗(yàn)之前，四個(gè)電池被設(shè)置為不同的電壓值，其中三個(gè)電池充滿電，即SOC為100%，另一個(gè)電池的電壓被設(shè)置為大約3.85 V。圖10 為電池組放電均衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖10 放電均衡實(shí)驗(yàn)圖

從圖10 可以看出，在電池組均衡后，四個(gè)電池電壓的不一致性顯著改善。在均衡的后期，可以看出各個(gè)電池單元的電壓值趨于一致。在本文中，均衡策略1 在大約100 min 內(nèi)完成電池組均衡，而均衡策略2 在68 min 內(nèi)完成。因此，所提出的均衡策略的均衡速度比均衡策略1 高32%。

綜合以上三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以看出，策略2 相對(duì)于策略1，時(shí)間效率μ 在三種電池組均衡狀態(tài)下分別提升了33.6%、25.6%、32%，不一致性參數(shù)η 也分別從17.85%、13.67%、14.85%降到1.09%、1.11%、1.63%。從而可以看出本文所提出的均衡方案相較于傳統(tǒng)的方案可以更有效地改善電池組的不一致性。

4 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)分層均衡控制策略所存在的均衡時(shí)間長(zhǎng)和均衡路徑復(fù)雜的缺點(diǎn)，提出了一種組內(nèi)和組間可以同時(shí)進(jìn)行均衡操作的快速均衡控制策略。以四個(gè)電池組成的串聯(lián)電池組為例，通過(guò)搭建軟硬件平臺(tái)，分別對(duì)電池組進(jìn)行了靜置均衡、充電均衡和放電均衡的三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的電池均衡策略相比于傳統(tǒng)的分層均衡策略能夠更好地實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電池組在三種狀態(tài)下的快速均衡，有效地改善電池組的不一致性。