串聯(lián)電池組電容式均衡系統(tǒng)研究

馮能蓮，陳龍科，湯　杰

(1.北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院，北京　100124；

2.安徽昊方機電股份有限公司，安徽 蚌埠　233010)

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引用格式：馮能蓮，陳龍科，湯杰.串聯(lián)電池組電容式均衡系統(tǒng)研究[J].重慶理工大學學報(自然科學版)，2016(1):1-6.

Citation format：FENG Neng-lian, CHEN Long-ke, TANG Jie.Study on Capacitive Equalizing System for Series Battery [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(1):1-6.

串聯(lián)電池組電容式均衡系統(tǒng)研究

馮能蓮1，陳龍科1，湯杰2

(1.北京工業(yè)大學 環(huán)境與能源工程學院，北京100124；

2.安徽昊方機電股份有限公司，安徽 蚌埠233010)

摘要：針對傳統(tǒng)電容式均衡電路均衡速度較慢的問題，提出了具有兩種環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)的鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路，并建立其仿真模型。仿真分析了采用不同電壓分布時的均衡效果，并與雙層環(huán)形開關電容均衡電路和鏈式雙層開關電容均衡電路進行了對比。結(jié)果表明：所提出的均衡電路在提高均衡速度的同時具有較低的能耗比。

關鍵詞：串聯(lián)電池組；電壓均衡；開關電容

目前，電池已廣泛用于消費類電子產(chǎn)品、電動汽車、工業(yè)儲能等領域。無論是電動汽車或是大規(guī)模儲能應用，串聯(lián)成組是電池的主要使用方式之一，但所串聯(lián)的單體電池的不一致性嚴重影響了電池組的有效容量、循環(huán)壽命、安全性和經(jīng)濟性，使電池組難以被充分利用。同時單體電池的一致性又是相對的，過分強調(diào)制造過程中的一致性或使用過程中環(huán)境的一致性，只能以提高動力系統(tǒng)成本為代價[1]。如何保證電池的安全、高效成組使用成為當前亟待解決的問題。電池均衡技術作為電池成組應用的關鍵技術之一，能夠有效緩解制造過程和使用過程中產(chǎn)生的不一致性，提高電池組的整體性能。

1開關電容式均衡方法

用于串聯(lián)電池組的均衡電路主要有兩類：一是能量消耗型，指利用并聯(lián)電阻等方式將電池組中電量較多的電池的能量進行耗散，直到其荷電狀態(tài)達到平均值的均衡電路；二是非能量消耗型，指利用電容、電感等儲能元件在單體電池或電池組之間進行能量轉(zhuǎn)移，使電池組電壓保持一致的均衡電路[2]。

均衡的目的之一是延長電池壽命以降低其使用成本，并盡可能縮短均衡所需時間[3]，因此，非消耗型均衡方式將是未來發(fā)展的方向。其中以電容作為儲能元件的電容式均衡電路具有成本低、體積小、能量損耗低的優(yōu)勢[4-5]，且不依賴電壓傳感器，并且能夠?qū)崿F(xiàn)主動均衡。

電池B1～B4的開關電容網(wǎng)絡均衡電路[6](見圖1)由電容C1～C3及相應的開關組成。所有開關一致向上或向下閉合，使電容C1～C3與電池模塊B1-B2-B3、B2-B3-B4交替并聯(lián)連接工作，不斷使電荷由高電壓電池轉(zhuǎn)移到低電壓電池，最終實現(xiàn)電池組電壓均衡。該均衡電路控制簡單，但在高、低電壓電池分隔較遠時，相鄰電池之間會存在一定的電壓降導致均衡結(jié)果變差，均衡速度變慢。

基于開關電容均衡電路原理，新的均衡電路不斷出現(xiàn)，主要包括雙層開關電容均衡電路[12-14]、雙層環(huán)形開關電容均衡電路[15]、單層環(huán)形開關電容均衡電路[16-17]、鏈式開關電容均衡電路[16-17]、鏈式雙層開關電容均衡電路[18]，見圖2～6。

圖1　開關電容網(wǎng)絡均衡電路 圖2　雙層開關電容均衡電路

圖3　鏈式開關電容均衡電路 圖4　單層環(huán)形開關電容均衡電路

圖5　雙層環(huán)形開關電容均衡電路 圖6　鏈式雙層開關電容均衡電路

雙層開關電容均衡電路(見圖2)由電容C1～C5及相應的開關組成。相對于圖1的開關電容網(wǎng)絡均衡電路，新增均衡電容C4和C5，使電荷轉(zhuǎn)移途徑增多，轉(zhuǎn)移平均距離縮短，均衡電容電流減小。

鏈式開關電容均衡電路(見圖3)由電容C1～C4及相應的開關組成。均衡電容C1～C4與電池模塊B1-B2-B3-B4、B2-B3-B4-B1交替并聯(lián)連接工作。由新增均衡電容C4構(gòu)成的鏈式拓撲結(jié)構(gòu)使串聯(lián)電池組在均衡電路中首尾相連，電池組間電荷轉(zhuǎn)移的平均距離減半。

單層環(huán)形開關電容均衡電路(見圖4)由電容C1～C4及相應的開關組成。該均衡電路與雙層開關電容均衡電路的工作原理相同，但新增由均衡電容C4構(gòu)成的環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)，同樣使電池組間電荷轉(zhuǎn)移的平均距離減半。

在鏈式開關電容均衡電路中，新增均衡電容C4只在端電池B1和B4之間進行電荷轉(zhuǎn)移，工作電壓與單體電池電壓接近，均衡壓差為電池B1、B4之間的壓差；在單層環(huán)形開關電容均衡電路中，新增均衡電容C4是在電池模塊B1-B2-B3和B2-B3-B4之間進行電荷轉(zhuǎn)移，工作電壓接近所均衡的電池組電壓，均衡壓差為電池組B1-B2-B3和B2-B3-B4之間的壓差。由于在一個均衡周期內(nèi)電池B2和B3電壓無明顯變化，電池組B1-B2-B3和B2-B3-B4之間的壓差可視為電池B1和B4之間的壓差，因此這兩種均衡電路的均衡效果基本一樣。

雙層環(huán)形開關電容均衡電路(見圖5)由電容C1～C6及相應的開關組成。該均衡電路兼有雙層開關電容均衡電路和單層環(huán)形開關電容均衡電路的結(jié)構(gòu)特點。新增均衡電容C6使電荷轉(zhuǎn)移途徑更多、平均距離更短、均衡電容電流更小。

鏈式雙層開關電容均衡電路(見圖6)由電容C1～C6及相應的開關組成。該電路兼有鏈式開關電容均衡電路和雙層開關電容均衡電路的結(jié)構(gòu)特點。新增均衡電容C4構(gòu)成的鏈式拓撲結(jié)構(gòu)使電池組在均衡電路中首尾相連，電池組間電荷轉(zhuǎn)移的平均距離在雙層開關電容均衡電路基礎上減半，有效地縮短了均衡時間。

2鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路及其工作原理

在系統(tǒng)分析傳統(tǒng)電容式均衡電路的基礎上，提出鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路，如圖7(a)所示。該均衡電路由電容C1～C7及相應的開關組成，兼有雙層開關電容均衡電路、鏈式開關電容均衡電路和單層環(huán)形開關電容均衡電路的結(jié)構(gòu)特點。

該均衡電路的控制方法與傳統(tǒng)的開關電容網(wǎng)絡均衡電路相同，有2個工作狀態(tài)，如圖7(b)和(c)所示。

圖7　鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路

工作狀態(tài)1如圖7(b)所示，所有開關向上閉合，電容C1～C7的電壓分別為VC1～VC7，滿足下列條件：

(1)

式中VB1～VB4分別為電池B1～B4的電壓。

工作狀態(tài)2如圖7(c)所示，所有開關向下閉合，電容C1～C7的電壓滿足下列條件：

(2)

在上述兩種工作狀態(tài)交替運行下，所有電池電壓逐漸趨于一致，最終實現(xiàn)電池組電壓均衡。

3仿真結(jié)果與分析

3.1仿真條件

在Matlab/Simulink中，以4塊單體電池串聯(lián)為例，建立雙層環(huán)形開關電容均衡電路、鏈式雙層開關電容均衡電路和鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路模型，并進行仿真試驗。

為縮短仿真時間，在均衡電路仿真模型中，單體電池用電容與等效電阻串聯(lián)代替，雙向開關由2個MOSFET模塊組成(如圖8所示)。仿真電路參數(shù)設置如表1所示。

表2中V1～V4分別表示電池B1～B4的電壓，并給出了電池組初始電壓的2種分布情況：

1) 電池B1電壓最高，其余電池電壓相等；

2) 電池B2電壓最高，其余電池電壓相等。

均衡電路為對稱結(jié)構(gòu)，上述2種情況涵蓋了電池組最高電壓電池分布的所有情況。

圖8　雙向開關

轉(zhuǎn)換頻率F/kHz占空比D開關導通內(nèi)阻Rsw/mΩ100.55轉(zhuǎn)換頻率Cb/F電池內(nèi)阻Rb/mΩ均衡電容及其內(nèi)阻C/mFRc/mΩ100.10.15/20/35

表2　電池組初始電壓分布　V

3.2均衡過程分析

圖9給出了在2種電壓分布情況下，雙層環(huán)形開關電容均衡電路、鏈式雙層開關電容均衡電路和鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路均衡電池組電壓變化的過程。

第1種情況如圖9(a1)、(b1)、(c1)所示，在雙層環(huán)形開關電容均衡電路和鏈式雙層開關電容均衡電路中，電池B1中的電荷可同時向電池B2、B3、B4轉(zhuǎn)移，并且均衡壓差相等。因此，電池B2、B3、B4的電壓上升速度相同。在鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路中，電池B1中的電荷可向電池B2、B3、B4轉(zhuǎn)移，同時由均衡電容C4構(gòu)成的鏈式拓撲結(jié)構(gòu)從電池B1向電池B4轉(zhuǎn)移電荷，并且均衡壓差均相等。因此，電池B4的電壓上升最快，而電池B2和B3的電壓上升相對較慢，但二者電壓上升速度相同。

第2種情況如圖9(a2)、(b2)、(c2)所示，在3種均衡電路中，電池B2中的電荷均可同時向電池B1、B3、B4轉(zhuǎn)移，并且均衡壓差均相等；而在鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路中，電池B1、B4電壓相等，由均衡電容C4構(gòu)成的鏈式拓撲結(jié)構(gòu)無法從電池B1向電池B4轉(zhuǎn)移電荷。因此，電池B1、B3、B4的電壓上升速度相同。

圖9　在2種電壓分布情況下不同電路均衡電池組電壓變化過程

本文在評價均衡電路的均衡效果時，以均衡時效和均衡能效作為2個重要的評價指標。當各電池電壓值的標準差達到0.002 V 時視為均衡實現(xiàn)。電池組電壓標準差σ定義如下：

(3)

式中：n表示電池組串聯(lián)電池單體數(shù)；Vi表示第i塊電池電壓；V表示電池組平均電壓。電池組電壓的標準差σ越小，表示電池組電壓一致性越好。圖10給出了在2種電壓分布情況下，當電池組電壓標準差達到0.002V時3種均衡電路對應的均衡時間。

圖10　均衡時間比較

在第1種電壓分布情況下，雙層環(huán)形開關電容均衡電路、鏈式雙層開關電容均衡電路和鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路分別耗時7.52，7.68，6.48 s；在第2種電壓分布情況下，分別耗時7.53，7.67，7.67 s。對比均衡時間可知：

1) 在2種電壓分布情況下，雙層環(huán)形開關電容均衡電路和鏈式雙層開關電容均衡電路均衡時間基本相同，而雙層環(huán)形開關電容均衡電路均衡時間稍短。同時驗證了本文對鏈式開關電容電路和單層環(huán)形開關電容電路的分析結(jié)果，即鏈式拓撲結(jié)構(gòu)與環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)在均衡效果上基本相同。

2) 在第1種電壓分布情況下，鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路均衡時間縮短約16%，同時證明了鏈式拓撲結(jié)構(gòu)在均衡電路中起到的作用。而在第2種電壓分布情況下，鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路的均衡時間與鏈式雙層開關電容均衡電路相同，但比雙層環(huán)形開關電容均衡電路的均衡時間稍長。這一點也證明了本文對鏈式雙層環(huán)形開關電容電路的分析結(jié)果，即在兩端電池電壓相等時，由均衡電容C4構(gòu)成的鏈式拓撲結(jié)構(gòu)無法從電池B1向電池B4轉(zhuǎn)移電荷。

對于電容式均衡電路而言，能耗低是其突出優(yōu)點之一。根據(jù)電池組均衡前后各單體電壓的差值可得到均衡過程的能耗比。圖11給出了3種電路均衡過程中對應的能耗比。在不同電壓分布情況下，各均衡電路的能耗比基本維持在0.02%左右。

圖11　均衡能耗比仿真結(jié)果

4結(jié)束語

在分析已有電容式均衡電路結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別與聯(lián)系的基礎上，提出了一種鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路，并通過仿真驗證了該均衡電路的特點。

鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路具有雙層開關電容均衡電路、鏈式開關電容均衡電路和單層環(huán)形開關電容均衡電路結(jié)構(gòu)的綜合特點，為電荷的轉(zhuǎn)移提供了更多的途徑，能夠較好地適應各種電壓分布不一致的情況，均衡時間更短且均衡能耗比較小，具有較好的均衡效果。

鏈式雙層環(huán)形開關電容均衡電路突出的結(jié)構(gòu)特點使均衡控制策略的制定更為靈活，為均衡系統(tǒng)分層設計提供了新的方案，可提高整個均衡系統(tǒng)的綜合性能，具有很好的理論意義和實用價值。

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(責任編輯劉舸)

Study on Capacitive Equalizing System for Series Battery

FENG Neng-lian1, CHEN Long-ke1, TANG Jie2

(1.College of Environmental and Energy Engineering,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2.Anhui Haofang Mechanical and Electrical Stock Company Limited, Bengbu 233010,China)

Abstract:A system with double-chain structure of double-tired switched capacitor was proposed for the slow cell balancing speed of conventional capacitive cell balancing circuits and the simulating models was built. This model took a simulation analysis on the balance performance of systems under different voltage distribution. In addition, this model was compared with annular double-tiered switching capacitor balancing system as well as double-tiered switching capacitor balancing system. The result shows that the system proposed is feasible and has low energy consumption ratio while balancing speed is improved.

Key words:series battery; voltage balance; switched capacitor

文章編號：1674-8425(2016)01-0001-06

中圖分類號：TM912

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.001

作者簡介：馮能蓮(1962—),男,安徽宣城人,教授，主要從事新能源汽車、智能車輛、汽車電子方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51075010)；北京市教育委員會重點項目(KZ200 910005007)

收稿日期：2015-11-25