［摘 要］ 為提高鋰電池組均衡速率，降低均衡后的電壓不一致性，提出了基于電感的復(fù)合型鋰電池主動均衡拓?fù)洹＝M內(nèi)使用Buck-boost電路，組間使用單電感電路，同時結(jié)合相應(yīng)的主動均衡策略，在Matlab/Simulink中建立了9節(jié)串聯(lián)鋰電池組模型，對比Buck-boost、單電感電路以及復(fù)合型拓?fù)渚鈱?shí)驗(yàn)表明：復(fù)合型主動均衡拓?fù)溆行Ы档土司鈺r間和電壓離散度。

［關(guān)鍵詞］ 主動均衡； Buck-Boost電路； 單電感； 復(fù)合型拓?fù)?/p>

［中圖分類號］ TM912 ［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］ A

鋰電池因其高能量密度、自放電率低和對環(huán)境友好，被廣泛應(yīng)用于新能源汽車以及電池儲能系統(tǒng)等領(lǐng)域[1-2]。鋰電池串聯(lián)成組后，由于電池間諸多因素存在差異，導(dǎo)致鋰電池組在充放電循環(huán)中單體電池間的差異不斷放大[2-5]，使得鋰電池容量、壽命減少，嚴(yán)重時造成事故，故需要對鋰電池組進(jìn)行均衡處理[6]。

鋰電池主動均衡原理為能量的傳遞。故多使用電容、電感以及變壓器等電器元件。文獻(xiàn)[7]利用Buck-boost電路雙向轉(zhuǎn)移相鄰電池間的能量，該拓?fù)湎鄬τ趥鹘y(tǒng)單向均衡拓?fù)溆行岣吡司馑俾?，同時易于實(shí)現(xiàn)，但隨著均衡路徑的增長，均衡速率明顯降低。針對該問題，文獻(xiàn)[8]聯(lián)合雙層多電感和單電容特性，很好地提高了整體均衡速率以及均衡后的電壓一致性，但基于電容的鋰電池均衡主要依據(jù)電壓差特性，當(dāng)電壓差過小，可能出現(xiàn)不導(dǎo)通甚至是誤導(dǎo)通的情況，具有一定的局限性[9]。文獻(xiàn)[10]將反激變壓器和電感結(jié)合，提高了均衡速度和效率，但依舊存在著電池組過長后變壓器成本和體積增大的問題。

為提高均衡速率，降低均衡后電壓離散程度，同時減少能量損耗，本文基于電感均衡拓?fù)?，提出了一種將Buck-boost電路和單電感電路聯(lián)合使用的新型主動均衡拓?fù)洌瑢⑦@兩種拓?fù)浞謩e置于組內(nèi)和組間，同時又根據(jù)兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，制定了相應(yīng)的均衡策略，使兩種基礎(chǔ)拓?fù)浜芎猛瓿筛鞑糠值木狻＝imulink實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?yàn)證了該拓?fù)鋵μ岣呔馑俾屎碗妷阂恢滦缘挠行浴?/p>

1 主動復(fù)合型均衡拓?fù)?/p>

主動均衡根據(jù)能量傳遞方式主要分為相鄰單體間、任意單體間、單體與電池組間的均衡[11]。相鄰單體間的均衡面對長線路會導(dǎo)致能量傳遞速率慢、損耗大等問題；任意單體間又存在著控制邏輯復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)的困難，同時線路的增長也會出現(xiàn)傳輸路徑單一、能量傳遞速率變慢的問題；單體與電池組間的均衡大多數(shù)利用變壓器來實(shí)現(xiàn)，而電池串過長會導(dǎo)致變壓器繞組增多、體積增大、成本增高等問題。

復(fù)合型均衡拓?fù)鋵?節(jié)鋰電池分為3個組，根據(jù)Buck-boost和單電感拓?fù)涮攸c(diǎn)，分別置于組內(nèi)和組間。該模型完成了組內(nèi)電量的快速轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了組間電量的任意轉(zhuǎn)移，大大提升了均衡速率，且電壓一致性高。均衡拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1中每三個電池為一組，分別為BT1、BT2、BT3，組內(nèi)每兩個電池之間由一個電感和兩個MOS管構(gòu)成，單電感、開關(guān)陣列、二極管和三個電池組構(gòu)成組間均衡電路。MOS開關(guān)的控制由PWM調(diào)制占空比完成。

1.1 組內(nèi)Buck-boost電路

組內(nèi)為Buck-boost電路，其等效電路如圖2所示。傳統(tǒng)Buck-boost電路隨著電池?cái)?shù)目的增加會導(dǎo)致均衡速率降低，能量損耗增大等問題，本文復(fù)合型拓?fù)浣M內(nèi)只有三個電池，減少了組內(nèi)需要均衡的電池?cái)?shù)目，從而提高了均衡速率。

如圖2a、2b所示，代表了組內(nèi)兩種工作形式，Q1閉合，B1釋能L1儲能。Q1關(guān)斷，電感續(xù)能，L1釋能B2儲能。

1.2 組間單電感電路

組間采用單電感電路。單電感電路可以將任意電池組能量轉(zhuǎn)移到另一電池組，且由于只需要進(jìn)行3個電池組間能量的傳遞，均衡路徑大大減少，降低了均衡時間以及電壓離散度。同時電感相對于電容具有更好的電壓應(yīng)力，并且有效解決了變壓器體積和成本的問題。

假設(shè)BT1gt;BT2gt;BT3，組間等效電路如圖3所示。組間單電感兩端電壓波形如圖4所示。

結(jié)合圖3和圖4對電感工作原理進(jìn)行分析可知，一個周期脈沖信號代表著單電感兩種工作形式。

階段1（0-TON）：圖3a為電池組BT1在正半周期向電感L傳遞能量路線圖，此時Q1，Q3閉合，電感與電池組BT1通過二極管D3形成回路。此時對電感L有：

階段2（TOFF-T）：圖3b為負(fù)半周期電感L續(xù)能向電池組BT3傳遞能量，此時Q3閉合，電感L與電池組BT3經(jīng)二極管D5形成回路。此時對電感L有：

2 均衡控制策略

組內(nèi)根據(jù)相鄰電池壓差均衡；組間根據(jù)各組電壓平均值差值均衡，以先組內(nèi)后組間的均衡順序完成整個電池串的均衡。

第一步：設(shè)置組內(nèi)、組間的均衡閾值；

第二步：測量各電池單體電壓并根據(jù)組內(nèi)電池單體間差值確定需要均衡的電池，若差值超過設(shè)置值，則組內(nèi)均衡開始，均衡完成后，返回第二步，直至組內(nèi)單體電壓差保持在閾值以內(nèi)，進(jìn)行下一步；

第三步：當(dāng)組內(nèi)均衡完成時，計(jì)算各組間平均電壓值，并根據(jù)各組間的電壓差值，確定需要均衡的電池組，若差值超過設(shè)置值，則組間均衡開始，優(yōu)先使平均電壓最大值對平均電壓最小值進(jìn)行能量傳遞，均衡完成后，返回第二步，直至組間平均電壓差保持在閾值以內(nèi)，進(jìn)行下一步；

第四步：均衡過程結(jié)束。組內(nèi)單體差閾值設(shè)置為0.01 V，組間平均電壓差閾值設(shè)置為5 mV?？紤]到整體的均衡速率，相對使組內(nèi)均衡閾值大一些，提高組內(nèi)均衡速率，組間均衡閾值小一些，由于其本身均衡速率快，使用小閾值使其均衡效果更加精確。

均衡控制流程如圖5所示。

3 仿真分析

根據(jù)上述拓?fù)浜筒呗?，在Simulink中建立模型。其中鋰電池模型直接使用Simulink自帶的Battery模型，參數(shù)UN為4.2 V，最大充電電流為1 C，即為3.4 A，組間均衡由于是三個電池串聯(lián)，其UN為12.4 V，最大充電電流為2 C。分別單獨(dú)將組內(nèi)和組間均衡拓?fù)鋵?節(jié)串聯(lián)電池組使用，最后使用本文復(fù)合型電路進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)。根據(jù)式（8）可得組內(nèi)組間電感值：

3.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

如圖6所示為組內(nèi)控制模型。每三個電池構(gòu)成一個電池組，電池組組內(nèi)電感值為15 μH。

圖7所示為組間控制模型。根據(jù)電池組的平均電壓值，優(yōu)先進(jìn)行平均電壓最高和最低電池組之間的能量轉(zhuǎn)移。電池組組間電感值為17 μH。

PWM占空比均為50%，組內(nèi)和組間MOS管頻率分別為40 kHz和50 kHz。

3.2 不同均衡拓?fù)浞抡娼Y(jié)果

將9節(jié)電池串聯(lián)，根據(jù)各組不同的平均電壓值，大致分為6種工況，本文就一種工作情況進(jìn)行研究，同時對比分析三種不同拓?fù)涞膶?shí)驗(yàn)結(jié)果。

各拓?fù)渚鈺r電壓分布狀況如圖8所示。由圖8可以很明顯看到9節(jié)電池分別采用三種不同均衡拓?fù)渲缶庑Ч牟町愋裕瑢Ρ葍煞N單一型均衡拓?fù)?，Buck-boost均衡速率較慢，但均衡后的電壓一致性卻比單電感電路要好。而本文復(fù)合型均衡電路則將兩種單一型均衡電路的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，既提高了均衡速率又提高了電壓一致性。同樣也可以看到復(fù)合型電路在均衡過程中優(yōu)先將組內(nèi)電池均衡，然后再進(jìn)行組間的均衡，具有一定的層次性，并且由于組內(nèi)和組間按順序進(jìn)行均衡，可以避免兩者間互相干擾。

考慮到均衡拓?fù)鋵?shí)際應(yīng)用中可能涉及數(shù)十甚至成百串鋰電池，故對三類均衡拓?fù)鋸脑骷?shù)量、電[LL]路控制難易程度、均衡效果、均衡速度等方面進(jìn)行比較，綜合考慮性價比問題，如表2所示。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)，單電感拓?fù)湫枰ㄟ^一個電感完成9節(jié)電池的均衡，均衡路徑單一，雖然對比Buck-boost拓?fù)溆懈玫木馑俣?，但是隨著電池?cái)?shù)量的增加，其控制難度將相應(yīng)增大，同時其均衡效果也將更加離散。

根據(jù)各元器件單價的不同，隨著電池?cái)?shù)量的增加，三類拓?fù)溟_關(guān)數(shù)量相差不多，而Buck-boost拓?fù)渲?，電感?shù)量最多，故總體成本為Buck-boost拓?fù)鋑t;復(fù)合型拓?fù)鋑t;單電感拓?fù)?；同時考慮到單電感拓?fù)渚饴窂絾我?，控制難度大，均衡效果差；Buck-boost拓?fù)渚馑俣嚷?，成本最高，能量損失大。綜合考慮，復(fù)合型均衡拓?fù)湫詢r比最高。

三種不同拓?fù)涓麟姵爻跏茧妷褐狄恢拢绫?所示。表4所示為實(shí)驗(yàn)完成后三種拓?fù)浞謩e對應(yīng)的電壓值。

3.3 仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可以得到不同均衡拓?fù)湎碌木鈺r間、電壓一致性，對比數(shù)據(jù)如表5所示。

1）均衡速率。圖8a傳統(tǒng)Buck-boost電路和圖8b單電感均衡電路完成均衡分別需要7 s和1.5 s。結(jié)合圖8c和表4分析，本文復(fù)合型均衡拓?fù)?組電池組在0.56 s完成組內(nèi)均衡，[JY]之后在0.65 s完成組間均衡?？傮w均衡速率對比單一型Buck-boost和單一型單電感電路分別提高了91%和57%。

2）電壓一致性。電壓一致性代表著電壓離散程度，可根據(jù)電壓標(biāo)準(zhǔn)差比較，離散程度越低，代表電壓一致性越高，標(biāo)準(zhǔn)差越小。從表4可知，均衡完成時三種均衡拓?fù)涓鲉误w電池電壓，此時通過計(jì)算，便可得到三種拓?fù)涞碾妷簶?biāo)準(zhǔn)差，本文復(fù)合型均衡拓?fù)潆妷阂恢滦詫Ρ葐我恍虰uck-boost和單一型單電感電路分別提高了64%、87%。

由以上可知，本文復(fù)合型均衡拓?fù)湎鄬τ趩我恍途馔負(fù)湓诰馑俾屎碗妷阂恢滦苑矫嫣嵘@著。

4 總結(jié)

本文介紹了以電感作為能量轉(zhuǎn)移元件的均衡電路，組內(nèi)Buck-boost均衡電路的應(yīng)用使得組間單電感均衡路徑變少，有效解決了單電感均衡速率過慢且均衡電壓一致性差的缺點(diǎn)；同時，基于單電感的任意電池組均衡，有效解決了傳統(tǒng)Buck-boost電路均衡速率有限和能量損耗的缺點(diǎn)。將Buck-boost電路傳遞速率快的特點(diǎn)，與單電感電路任意傳遞的特點(diǎn)相結(jié)合，對于各均衡拓?fù)浜侠砘\(yùn)用，較好發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，并彌補(bǔ)了其各自的薄弱處。

在理論分析的基礎(chǔ)上搭建了復(fù)合型、單一型Buck-boost、單一型單電感均衡拓?fù)?，并分別對9節(jié)鋰電池進(jìn)行仿真，通過對比分析三種拓?fù)渚庑Ч?，?yàn)證了復(fù)合型均衡拓?fù)浜筒呗缘目尚行?，仿真結(jié)果表明復(fù)合型主動均衡拓?fù)渚馑俾首羁?，電壓一致性效果顯著。

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Research on Active Balancing of CompositeLithium Battery Based on Inductance

TU Lingying， QIN Yu， ZHOU Yiru， LI Xi

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China）

Abstract： In order to improve the equalization rate of lithium battery pack and reduce the voltage inconsistency after equalization， this paper proposes an active balancing topology of composite lithium battery based on inductance. The Buck-boost circuit is used in the group， and the single inductor circuit is used between the groups. At the same time， combined with the corresponding active equalization strategy， a model of nine series lithium battery packs is established in Matlab/Simulink. Compared with the Buck-boost， single inductor and the composite topology equalization effect were designed in this paper. Experiments indicate that the composite active balancing topology in this paper effectively reduced equalization time and voltage dispersion.

Keywords： active balancing; Buck-boost circuit; single inductance; composite topology

［責(zé)任編校： 閆 品］

［收稿日期］ 2022-12-23

［基金項(xiàng)目］ 國家自然科學(xué)基金（41601399）

［第一作者］ 凃玲英（1963-）， 女， 湖北武漢人， 湖北工業(yè)大學(xué)教授， 研究方向?yàn)殡娮有畔⒓扒度胧郊夹g(shù)。

［通信作者］ 秦 宇（1997-）， 男， 湖北荊州人， 湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生， 研究方向?yàn)殇囯姵鼐狻?/p>