動力電池組分組式均衡方案研究

甘正飛，胡社教

(合肥工業(yè)大學計算機與信息學院，安徽合肥230009)

動力電池組分組式均衡方案研究

甘正飛，胡社教

(合肥工業(yè)大學計算機與信息學院，安徽合肥230009)

為了提高電動汽車的續(xù)航里程，延長動力電池組的使用壽命，針對各單體電池間的不一致性問題，以buck-boost變換器法與傳統(tǒng)多變壓器法為基礎，提出一種新型的分組式雙向均衡方案，此方案在電池充電和放電階段都能實現(xiàn)均衡。給出了以SOC為參量的控制策略，并在Matlab-Simulink環(huán)境下搭建均衡模型，進行仿真實驗，結果驗證了此方案的可行性。

動力電池組；分組均衡；均衡控制；Simulink仿真

隨著石油資源的匱乏和燃油汽車尾氣排放量的日益增多，電動汽車的發(fā)展越來越受到國家和地方政府的重視。電動汽車的動力電池組由大量的單體鋰電池串聯(lián)而成，在使用過程中，由于制作工藝和工作環(huán)境等因素，各單體電池之間的性能存在著不一致性。這種不一致性會造成電池組在充放電時，個別單體電池過充或過放，進而會導致該電池性能惡化，縮短電池的工作壽命，嚴重時會損害整個電池組[1]。因此，在電池組充放電時，對其進行均衡控制顯得尤為重要。

傳統(tǒng)的均衡方式有被動均衡和主動均衡兩種。被動均衡是目前運用在實際中最多的均衡方式，其結構簡單，成本低廉，且易于控制，但是存在著能量損耗和熱管理困難等問題[2]。主動均衡是通過電感或電容等儲能元件把多余的能量儲存起來，并由控制器控制開關管實現(xiàn)能量在電池組或單體電池之間轉移的一種均衡方式，它不以消耗能量為代價，是當前均衡研究的重點。

目前，國內(nèi)外學者已經(jīng)對主動均衡進行了廣泛的研究，并提出了多種典型方案。文獻[3]介紹的飛度電容法，把電容作為儲能元件，運用組合開關使能量在任意兩節(jié)單體電池之間進行轉移，這種方法彌補了傳統(tǒng)電容法只能實現(xiàn)相鄰單體電池之間轉移能量的不足，但是其本身也存在著均衡電流不可控制，均衡效率不高等缺點。文獻[4]介紹了一種基于單變壓器的均衡方法，這種方法能實現(xiàn)電池組的雙向均衡，但其采用的是次級多繞組變壓器，使電路設計變得困難，而且也存在著單變壓器均衡效率不高的缺點。

本文首先分析buck-boost變換器法和傳統(tǒng)多變壓器法的工作原理，結合兩者的特點，提出一種新型的分組式雙向均衡方案，并通過仿真實驗來證明此方案可以達到預期效果，實現(xiàn)動力電池組的能量平衡。

1 buck-boost均衡電路與多變壓器均衡電路工作原理

1.1 buck-boost變換器法

buck-boost變換器法是利用電感作為儲能元件，通過電感的儲能與放能，使能量在相鄰的單體電池之間進行轉移，從而達到能量的平衡[5]。圖1為buck-boost變換器法的均衡原理圖。

B1、B2、B3表示單體電池，電感L1與L2為儲能元件，Q1、Q2、Q3為用于均衡控制的MOSFET，D1、D2、D3、D4為續(xù)流二極管。

工作原理：以電池B1的能量高于電池B2為例，均衡過程分為兩個階段。第一階段，開啟Q1，此時B1、Q1、L1形成回路，電池B1放能，電感L1儲能；第二階段，關閉Q1，此時L1、B2、D2形成回路，電感L1放能，通過續(xù)流二極管D2給電池B2充能。通過不斷的控制Q1的狀態(tài)來實現(xiàn)能量從B1向B2的轉移。同理，當B2的能量高于B1時，可以控制Q2來轉移能量。

圖1 buck-boost變換器法均衡原理圖

這種方法能夠快速地實現(xiàn)相鄰單體電池之間的能量平衡，且在充電階段和放電階段均可適用。但是，如果需要均衡的兩節(jié)電池不是相鄰時，則需要借助于“中間”電池來完成。如圖1中，當要把電池B1的能量轉移到電池B3時，首先要把B1中多余能量轉移到B2，再由B2轉移到B3。在相隔電池數(shù)較多的情況下，此方法的均衡效率會明顯下降，均衡時間也會大幅增長，而且在均衡過程中，給“中間”不需要均衡的電池循環(huán)地充放電，也無形中縮短了電池的使用壽命。因此，buck-boost變換器法僅適用于少量電池的快速均衡。

1.2 多變壓器法

多變壓器法是利用反激式變壓器作為能量載體，通過電能與磁能之間的轉換，使能量在單體電池與電池組之間形成轉移，從而達到能量的平衡[6]。以三節(jié)電池成組為例，圖2給出了多變壓器法均衡原理圖。

圖2 多變壓器法均衡原理圖

T1、T2、T3為反激式變壓器，Q11～Q32為用于均衡控制的MOSFET，D11～D32為續(xù)流二極管。

與buck-boost變換器法一樣，多變壓器法適用于充電均衡和放電均衡。充電均衡時，是將能量高的單體電池中多余的能量轉移到電池組中；放電均衡時，是將電池組中的能量轉移到能量低的單體電池中。

工作原理：充電均衡，以電池B1的能量偏高為例，均衡過程分為兩個階段。第一階段，開啟Q12，B1中“多余”的能量以磁能的形式存儲在變壓器T1的次級電感中，初級繞組上的感應電壓由于D11的反向偏置而被阻斷；第二階段，關閉Q12，次級繞組兩端電壓極性反向，初級繞組上的電壓極性也同時反向，促使D11導通，存儲在變壓器中的能量以電能的形式釋放到電池組中。放電均衡，以電池B2的能量偏低為例，同樣，均衡過程分為兩個階段。第一階段，開啟Q21，來自電池組中的能量以磁能的形式存儲在變壓器T2的初級電感中，次級繞組上的感應電壓由于D22的反向偏置而被阻斷；第二階段，關閉Q21，初級繞組兩端電壓極性反向，次級繞組上的電壓極性也同時反向，促使D22導通，存儲在變壓器中的能量以電能的形式釋放到B2中。

這種方法實現(xiàn)的是單體電池與電池組之間的能量均衡。優(yōu)點是，同一時間能夠有多節(jié)單體電池進行均衡，均衡效率較高。缺點是，每一個單體電池都需要對應一個反激變壓器，導致整體電路龐大，而且還會加劇漏感現(xiàn)象。

2 新型分組式均衡方案的設計與分析

2.1 均衡原理圖

結合buck-boost變換器法與多變壓器法的特點，采取分組式均衡方式，把整個電池組n節(jié)單體電池分成若干子組。其中，每個電池子組均含有m節(jié)單體電池，即共有n/m個電池子組。以三個電池子組串聯(lián)為例，圖3給出新型主動均衡電路的原理圖。

圖3 新型分組式均衡電路原理圖

系統(tǒng)均衡分為兩個階段：首先，采用buck-boost變換器法對每個電池子組內(nèi)部各單體電池進行均衡；然后，采用多變壓器法對整個電池組進行均衡。

這種方法不僅繼承了buck-boost變換器法和多變壓器法可實現(xiàn)充電均衡與放電均衡的優(yōu)點，而且還避免了前者在電池過多的情況下均衡效率偏低，及后者采用變壓器過多造成體積龐大及漏感的缺點。

2.2 均衡控制策略

系統(tǒng)的均衡共有兩個階段：組內(nèi)均衡和組間均衡(整體均衡)。圖4為均衡控制流程圖。

均衡的目的是改善單體電池之間能量的不一致性，提高電池組的容量利用率。而判斷能量是否平衡的依據(jù)主要有電池的外電壓和SOC兩種。以外電壓為依據(jù)的均衡策略實現(xiàn)簡單，運用較廣，但電池的外電壓受電池內(nèi)部直流內(nèi)阻和極化電壓的影響，并不能很好地反應電池的能量情況。電池的SOC表示的是電池當前的荷電狀態(tài)，以SOC為依據(jù)的均衡策略是以減小電池之間SOC的差異為目的，可以更好的提高電池組的容量利用率[7]。圖5給出了以SOC為依據(jù)的均衡判斷流程圖。

圖4 均衡控制流程圖

圖5 均衡判斷流程圖

對于圖5需要說明一點。由于本方案中，組間均衡采用的是多變壓器法，在系統(tǒng)進入組間均衡階段，會判斷當前電池組是處于充電狀態(tài)還是放電狀態(tài)。若是處于充電狀態(tài)，只會判斷哪些子組的能量達到了均衡上限值，然后將這些子組中多余的能量轉移到整個電池組中，間接給能量低的子組補充能量，而并不是直接對能量低的子組進行均衡。同理若是在放電階段，只會判斷哪些子組的能量達到了均衡下限值，然后將能量從整個電池組轉移到這些子組中。

2.3 均衡占空比

驅動PWM信號占空比的選擇直接關系著均衡的效率[8]。對于組內(nèi)buck-boost變換器法均衡，要求其工作在DCM模式下，PWM占空比要小于50%[9]，通常取45%～48%。對于組間多變壓器法均衡，以放電均衡為例。

0～Ton期間：

設變壓器初級繞組N1上的電壓值為U1，初級繞組工作時相當于一個電感，設其值為L1，初級電感上電流的增長速度為：

在t=Ton=DT時刻，初級電流達到最大值Ipmax：

式中：D為占空比，T為周期。

由式(1)和式(2)得：

在此期間，變壓器鐵心的磁通Φ的增加量為：

Ton～T期間：

設次級繞組N2上的電壓為U2，次級繞組工作時也相當于一個電感，設其值為L2，次級電感上的電流從最大值Ismax開始線性下降，下降速度為：

在此期間，變壓器鐵心的磁通Φ的減小量為：

在穩(wěn)態(tài)工作時，要求變壓器鐵心的磁通量增加量DΦ(+)等于減少量DΦ(-)[10]，結合式(4)和式(6)有：

即可求得占空比：

同理，可求得充電均衡時的占空比：

式中：U1與U2分別為充電均衡時變壓器初、次級繞組上的電壓值。

3 系統(tǒng)仿真

為了驗證均衡方案的可行性，在Matlab環(huán)境下，應用Simulink工具包中SimPowerSystem模塊自帶的電池模型搭建仿真電路。在恒流充、放電的過程中對不同SOC值的六節(jié)電池進行仿真實驗。其中，每兩節(jié)電池成一子組。圖6給出了仿真電路圖。

圖6 仿真電路圖

充電仿真和放電仿真都分為兩個階段，即組內(nèi)均衡與組間均衡。在本次仿真過程中，組內(nèi)均衡選取的開關驅動PWM信號的頻率為5 kHz，占空比45%，；組間均衡選取的開關驅動PWM信號的頻率為10 kHz，占空比48%。

3.1 充電過程均衡仿真

如圖6所示，單體電池額定容量為6 Ah，6節(jié)單體電池SOC分別設置為85%、83%、80%、79%、78%、77%，可控電流源電流設置為1 C(6 A)。均衡過程各單體電池SOC變化情況如圖7所示。

圖7 充電過程均衡效果圖

整個充電均衡過程用了160 s，分成二個階段：0～49.2 s，電池子組1內(nèi)部的均衡。在此階段，B1的SOC上升較慢，而B2的SOC上升較快，B1、B2的SOC差距逐漸縮小。49.2～160 s，電池子組1與整個電池組之間的均衡。在此階段，B3、B4、B5、B6的SOC的上升速度有了一個較為明顯的提升，而B1、B2的SOC卻略有下降，說明B1、B2所組成的電池子組1在均衡過程放出的能量要大于直流充入的能量。均衡終止時刻各單體電池SOC基本達到一致，很好地抑制了B1、B2可能出現(xiàn)的過充電現(xiàn)象。

3.2 放電過程均衡仿真

放電過程均衡仿真與充電過程均衡仿真類似，6節(jié)單體電池SOC分別設置為26%、30%、33%、34%、35%、36%，可控電流源電流設置為－1 C(－6 A)。均衡過程各單體SOC變化情況如圖8所示。

整個放電均衡過程用了200 s，分成二個階段：0～80.1 s，電池子組1內(nèi)部的均衡。在此階段，B1的SOC下降較慢，而B2的SOC下降較快，B1、B2的SOC差距逐漸縮?。?0.1～200 s，電池子組1與整個電池組之間的均衡。在此階段，B3、B4、B5、B6的SOC的下降速度明顯加快，而B1、B2的SOC卻略有上升，說明B1、B2所組成的電池子組1在均衡過程吸收的能量要大于直流放出的能量。均衡終止時刻各單體電池SOC基本達到一致，很好地抑制了B1、B2可能出現(xiàn)的過放電現(xiàn)象。

圖8 放電過程均衡效果圖

4 結論

本文結合buck-boost變換器法與多變壓器法，提出了一種新型的分組式雙向均衡方案，該方案繼承了buck-boost變換器法與多變壓器法兩者高效均衡的優(yōu)點，同時彌補了兩者的缺點。文中給出了均衡方案的控制策略和在Matlab環(huán)境下的仿真實驗結果，結果表明，新型均衡方案均衡效果明顯，可以很好地改善電池組的一致性問題。但本文的控制策略是以電池SOC為參量，實際應用中如何精確地估算SOC值，尚在研究當中。

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Research on grouping equalization schemeof powerbattery pack

GAN Zheng-fei，HU She-jiao

(SchoolofComputer&Information，HefeiUniversity ofTechnology，HefeiAnhui230009，China)

In order to im prove the electric vehiclem ileage and prolong the service life of the power battery，a new type of grouping bidirectionalequalization scheme based on the methods of buck-boost converter and traditionalmultiple transformerwas proposed to resolve the inconsistency amongmonomer batteries.The scheme can achieve balance in the battery charge and discharge stage.The control strategy using SOC as a parameter was presented.The equilibrium modelwas built under the environment of Matlab-Simulink.The simulation experimentwas carried out. The resultproves the feasibility of the scheme.

power battery pack;grouping equalization;equalization control;Simulink simulation

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1434-04

2015-12-04

甘正飛(1988—)，男，安徽省人，碩士生，主要研究方向為智能檢測與控制。