一種基于Cuk斬波電路的雙向雙層橋臂的蓄電池組均衡器的研究

劉紅銳，杜春峰，陳仕龍，李園專，夏超英

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明650500；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072）

一種基于Cuk斬波電路的雙向雙層橋臂的蓄電池組均衡器的研究

劉紅銳1，杜春峰1，陳仕龍1，李園專1，夏超英2

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明650500；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072）

為了快速有效地實(shí)現(xiàn)串聯(lián)鋰離子單體電池間的能量均衡，提出了一種基于Cuk斬波電路的雙向雙層橋臂的蓄電池組均衡器。此均衡器根據(jù)電池組的充放電狀態(tài)采取兩種不同的均衡策略：當(dāng)電池組處于充電狀態(tài)時(shí)，電池組中具有最高荷電狀態(tài)的單體電池通過Cuk斬波電路被快速均衡放電；當(dāng)電池組處于放電或靜置狀態(tài)時(shí)，電池組中具有最低荷電狀態(tài)的單體電池通過Cuk斬波電路被快速均衡充電。均衡器拓?fù)潆娐吩砗唵?、均衡電流連續(xù)、均衡電流可控性強(qiáng)、均衡效率高。最后對(duì)此均衡器進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，證明了此方案的可行性。

鋰離子電池；Cuk斬波電路；均衡器；仿真均衡實(shí)驗(yàn)

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，為了節(jié)能環(huán)保，世界各個(gè)國家提倡和大力發(fā)展純電動(dòng)汽車電動(dòng)。由于鋰離子電池具有體積小、重量輕、標(biāo)稱電壓相對(duì)較高、循環(huán)壽命長、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，因此受到電動(dòng)汽車市場的青睞。鋰離子單體電池的電壓在3.6 V左右，在使用中需要串聯(lián)大量的鋰離子電池來滿足電壓的要求［1-5］。在使用過程中鋰離子單體電池不允許出現(xiàn)過充電和過放電，否則會(huì)影響電池的使用壽命，甚至發(fā)生爆炸危險(xiǎn)［5-8］，同時(shí)由于使用環(huán)境和本身性能的差異，在使用過程中串聯(lián)的鋰離子單體電池間存在能量不一致的情況［9-10］。由于電池組中各個(gè)單體電池能量的不一致，電池組的充電容量受組中能量最高的單體電池容量的限制，而電池組的放電容量受組中能量最低的單體電池的容量的限制，這樣電池組的充、放電容量越來越小，最終導(dǎo)致電池組報(bào)廢。所以，必須采取有效措施來對(duì)串聯(lián)的鋰離子單體電池進(jìn)行能量均衡，提高電池組的充放電容量，從而延長電池組的使用壽命［11-12］。

1 現(xiàn)有的均衡方法及其特點(diǎn)

為了解決串聯(lián)蓄電池間能量不一致的問題，目前出現(xiàn)了多種均衡方法，有傳統(tǒng)的涓流補(bǔ)充均衡和放電均衡方法，也有非傳統(tǒng)的能耗均衡和非能耗均衡方法。

1.1 傳統(tǒng)均衡方法

傳統(tǒng)均衡方案不需要外加均衡電路，通過對(duì)充電的控制從而達(dá)到均衡的效果，既充電前后的電量補(bǔ)充均衡，主要包括涓流補(bǔ)充均衡和放電均衡方法［13］。涓流補(bǔ)充均衡只適用于充電過程中的均衡，且效率不高，時(shí)間長，易損壞電池。放電式均衡就是在電池組充電以前對(duì)其進(jìn)行放電，從而使所有電池的初始容量相等，但是這種方法不適用于充電過程且易導(dǎo)致過放電而損壞電池。

1.2 非傳統(tǒng)均衡方法

根據(jù)蓄電池組在均衡的過程中能量的轉(zhuǎn)移方式非傳統(tǒng)均衡方法分為能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡兩類［7］。能量耗散型均衡主要是并聯(lián)電阻均衡［2,7,8］，其特點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡單，但是均衡電流小、耗能，不經(jīng)濟(jì)；而能量非耗散型均衡方案的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，均衡過程不好控制，但是能量耗散較低，較經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)均衡所采用均衡元件的不同，非能耗均衡方法主要包括電容均衡、電感均衡、LC均衡、變壓器均衡等方法。 電容均衡［7,8,14,15］的實(shí)質(zhì)就是通過單體電池間的電壓差來實(shí)現(xiàn)均衡，但是一般鋰離子單體電池間的電壓差在實(shí)際中相差很小，因此電容均衡很難使能量轉(zhuǎn)移；電感均衡［7,12］以電感中的電流變化進(jìn)行能量均衡，在均衡中電流的可控性強(qiáng)；LC均衡［1］即采用電感和電容作為儲(chǔ)能元件進(jìn)行均衡，該方法彌補(bǔ)了電容均衡受單體電池間電壓差小的缺點(diǎn)，但是均衡電路復(fù)雜，均衡效率低；變壓器均衡法［7］常見的是同軸多副邊反激式變壓器均衡，變壓器的體積較大，且均衡電流不易控。

基于以上的均衡方案的均衡特點(diǎn)，本文提出了一種基于Cuk斬波電路的雙向雙層橋臂的蓄電池組均衡器，此均衡器拓?fù)潆娐吩砗唵?，均衡電流連續(xù)，且可控性強(qiáng)，均衡速度快，均衡效率較高。

2 均衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)包括用于選通被均衡的單體電池的雙向橋臂開關(guān)矩陣電路和均衡主電路。雙向橋臂開關(guān)矩陣電路由上橋臂功率開關(guān)矩陣N、下橋臂功率開關(guān)矩陣S構(gòu)成，而上橋臂功率開關(guān)矩陣N和下橋臂功率開關(guān)矩陣S均為由n對(duì)反向串聯(lián)的功率MOSFET開關(guān)組成的雙層功率開關(guān)矩陣。均衡主電路是雙向Cuk電路，由電感L1、電感L2、電容C、電壓源E、2個(gè)主控開關(guān)Q1和Q2構(gòu)成。這種雙層橋臂的均衡電路一方面可以防止均衡過程中電池短路，另一方面可以實(shí)現(xiàn)能量通過Cuk電路雙向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)充電均衡和放電均衡。

圖1 均衡拓?fù)潆娐稦ig.1 Equilibrium topology circuit

2.2 均衡器工作原理

均衡器中電感L1、L2和電容C為儲(chǔ)能元件，均衡電路為典型的Cuk電路，通過主控開關(guān)的脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）控制使均衡能量在單體電池與均衡電路之間轉(zhuǎn)移。電池組充電時(shí)通過降低電池組中電壓或荷電狀態(tài)SOC（state of charge）最高的單體電池的充電電流來提高整個(gè)電池組的充電容量；電池組放電時(shí)通過降低電池組中電壓或SOC最低的單體電池的放電電流來提高整個(gè)電池組的放電容量。

2.2.1 電池組充電狀態(tài)時(shí)的均衡器工作原理

均衡拓?fù)潆娐芳捌洳ㄐ稳鐖D2所示。圖2（a）中，當(dāng)電池組處于充電狀態(tài)時(shí)，假設(shè)單體電池Celli的SOC值最高，此時(shí)通過控制雙層橋臂中相應(yīng)的放電開關(guān)Ni2和Si2導(dǎo)通，然后對(duì)主控開關(guān)Q1進(jìn)行PWM控制，均衡電路為Cuk斬波電路，Celli為Cuk電路的輸入端，E為輸出端，單體電池Celli被均衡放電。能量由單體電池Celli向電源E轉(zhuǎn)移，完成整個(gè)充電過程中的電池組均衡。

現(xiàn)以單體電池Cell1為例進(jìn)行說明，假設(shè)在電池組充電過程中，Cell1的能量最高。均衡時(shí)，控制開關(guān)N12和S12導(dǎo)通，使單體電池Cell1選通，然后對(duì)Q1進(jìn)行PWM控制，從而實(shí)現(xiàn)能量由單體電池Cell1向電源E轉(zhuǎn)移。當(dāng)Q1處于開通狀態(tài)時(shí)，回路①和回路②被同時(shí)激活。當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，回路③和回路④被同時(shí)激活。

圖2 電池組充電均衡原理及相關(guān)波形Fig.2 Schematic diagram of the battery pack charge balance and related waveforms

對(duì)于均衡電流大小的控制只需控制 Q1的PWM占空比就可以實(shí)現(xiàn)，均衡電流連續(xù)可調(diào)。圖2（b）是開關(guān)N12、S12及Q1的PWM波形及Cell1的均衡放電電流波形。當(dāng)Q1處于導(dǎo)通期間，均衡電流的最小值為i1min，最大值為i1max，由回路①得

式中：V1為被選通的單體電池的電壓忽略開關(guān)器件的管壓降；D1為開關(guān)Q1的導(dǎo)通占空比；Ts1為開關(guān)Q1的開關(guān)周期。

2.2.2 電池組放電狀態(tài)時(shí)的均衡器工作原理

當(dāng)n個(gè)串聯(lián)的單體電池組成的電池組處于放電或靜置狀態(tài)時(shí)，其放電均衡原理及其相關(guān)波形如圖3所示。圖3（a）中，假設(shè)單體電池Cellj的SOC值最低，此時(shí)通過控制雙層開關(guān)橋臂中對(duì)應(yīng)的充電開關(guān)Nj1和Sj1導(dǎo)通，使該單體電池Cellj選通，然后對(duì)Q2進(jìn)行PWM控制，均衡電路為典型的Cuk斬波電路，Cellj為Cuk電路的輸出端，電源E為輸入端，單體電池Cellj被均衡充電，能量由E轉(zhuǎn)移到電池Cellj。

圖3 電池組放電均衡原理及相關(guān)波形Fig.3 Schematic diagram of discharge equalization of battery pack and related waveforms

現(xiàn)以單體電池Cell2為例進(jìn)行說明，假設(shè)在電池組靜置或放電過程中，Cell2的能量最低。均衡時(shí)，控制開關(guān)N21和S21導(dǎo)通，使單體電池Cell2選通，然后對(duì)Q2進(jìn)行PWM控制，從而實(shí)現(xiàn)能量由電源E向單體電池Cell2轉(zhuǎn)移。當(dāng)Q2處于開通狀態(tài)時(shí)，回路①和回路②被同時(shí)激活。當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，回路③和回路④同時(shí)被激活。

對(duì)于均衡電流大小的控制只需控制Q2的PWM占空比就可以實(shí)現(xiàn)，均衡電流連續(xù)可調(diào)。圖3（b）是開關(guān)N21、S21及Q2的PWM波形及電池Cell2的均衡充電電流波形。當(dāng)Q2處于導(dǎo)通期間，均衡電流的最小值為i2min，最大值為i2max，由回路①得

式中：V2為電壓源E的電壓忽略開關(guān)器件的管壓降；D2為開關(guān)Q2的導(dǎo)通占空比；TS2為開關(guān)Q2的開關(guān)周期。

此種均衡方案采用雙層橋臂的結(jié)構(gòu)，輸出端與一個(gè)可充電電源連接，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)充電均衡和放電均衡。電路的結(jié)構(gòu)和原理簡單，控制容易實(shí)現(xiàn)。本均衡方案是基于Cuk斬波電路的，均衡電流連續(xù)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可以根據(jù)所用各單體電池的荷電狀態(tài)不一致程度，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)均衡電流的大小。根據(jù)所需要達(dá)到的充放電均衡的均衡效果、開關(guān)頻率來選擇合適的占空比、電感和電容。

3 均衡仿真實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)3個(gè)初始SOC值分別為60%、40%、30%的單體鋰離子蓄電池組成的電池組進(jìn)行了充、放電均衡仿真實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。仿真實(shí)驗(yàn)是在Matlab仿真環(huán)境下完成，通過在Simulink中選取元器件搭建仿真電路，其中，單體電池為鋰離子電池模型，額定電壓為3.2 V，額定容量為20 Ah；電源E用一個(gè)額定電壓為3.2 V，額定容量為40 Ah的鋰離子電池模型代替；開關(guān)器件為內(nèi)阻為50 mΩ、反并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降為0.5 V的MOSFET功率開關(guān)；考慮仿真電路中開關(guān)器件的管壓降后，電感L1和L2均為470 μH；電容C為220 μF。

3.1 電池組充電均衡實(shí)驗(yàn)

以10 A的恒定電流對(duì)初始SOC值為60%、 40%和30%的3個(gè)串聯(lián)鋰離子電池 Cell1、Cell2、Cell3分別進(jìn)行充電均衡實(shí)驗(yàn)，SOC值為75%時(shí)充電截止。電源E的電池初始SOC為80%。充電過程中，對(duì)電池Cell1進(jìn)行均衡放電，控制橋臂開關(guān)N12和S12一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，主控開關(guān)Q1的開關(guān)頻率為12.5 kHz，占空比為70%。

均衡實(shí)驗(yàn)中，電池Cell1的均衡放電電流波形如圖4所示。電池組的充電SOC值為75%時(shí)停止充電，充電均衡實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為2 400 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)3個(gè)單體電池的 SOC值分別為 75%、73.2%和63.2%，電壓源E的SOC值為83.7%。充電過程中3個(gè)電池的SOC變化曲線如圖5所示。

圖4 充電均衡電流波形Fig.4 Waveform of equilibrium current of charge

圖5 充電過程中的各單體電池SOC變化曲線Fig.5 Change curves of SOC for single cells in charging process

3.2 電池組放電均衡實(shí)驗(yàn)

以10 A的恒定電流對(duì)初始SOC值為75%、73.2%和63.2%的3個(gè)串聯(lián)鋰離子電池Cell1、Cell2、Cell3分別進(jìn)行放電均衡實(shí)驗(yàn)，放電截止SOC值為30%。電源E的電池初始SOC為83.7%。放電過程中，對(duì)電池Cell3進(jìn)行均衡充電，控制橋臂開關(guān)N31和S31一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，主控開關(guān)Q2的開關(guān)頻率為12.5 kHz，占空比為62%。

均衡實(shí)驗(yàn)中，電池Cell3的均衡充電電流波形如圖6所示。電池組的放電SOC值為30%時(shí)停止放電，放電均衡實(shí)驗(yàn)的時(shí)間為3 100 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)3個(gè)單體電池的 SOC值分別為 31.9%、30.2%和30%，電壓源E的SOC值為75%。放電過程中3個(gè)電池的SOC變化曲線如圖7所示。

圖6 放電均衡電流波形Fig.6 Waveform of equilibrium discharge current

圖7 放電過程中的各單體電池SOC變化曲線Fig.7 Change curves of SOC for single cells in discharge process

3.3 仿真結(jié)果分析

在電池組的充電均衡仿真結(jié)果中，由圖4Cuk斬波電路中均衡電流波形可見，此電流波形平穩(wěn)連續(xù)，符合Cuk斬波電路的電流特點(diǎn)；其電流的大小可以方便調(diào)節(jié)，若要改變均衡速度只需對(duì)主控開關(guān)Q1進(jìn)行PWM控制改變均衡電流的大小即可。由圖5充電過程中電池組的SOC值可知，對(duì)Cell1進(jìn)行均衡放電的過程中，其SOC曲線的斜率明顯比Cell2和Cell3小，仿真到2 400 s時(shí)其SOC值達(dá)到75%。從仿真結(jié)果看，此均衡電路達(dá)到了充電均衡的均衡效果，電池Cell1的能量經(jīng)均衡電路轉(zhuǎn)移到電源E中進(jìn)行儲(chǔ)存。如果還需要繼續(xù)充電使電池組的SOC達(dá)到100%就需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)相應(yīng)的電池進(jìn)行均衡控制，繼續(xù)對(duì)電池組進(jìn)行充電。在實(shí)際的充電過程中，根據(jù)電池組的實(shí)際電量狀態(tài)進(jìn)行均衡控制，可以達(dá)到相應(yīng)的均衡效果。

在電池組的放電仿真結(jié)果中，由圖6均衡電流波形可見，電流平穩(wěn)連續(xù)，電流大小可以通過調(diào)節(jié)主控開關(guān)Q2的PWM占空比來實(shí)現(xiàn)。由圖7電池組放電過程中的電池SOC值可知，對(duì)Cell3進(jìn)行均衡充電的過程中，其SOC曲線的斜率明顯比Cell1和Cell2小，仿真到3 100 s時(shí)其SOC值達(dá)到30%，與Cell2的SOC值大體相等，電源E中的部分能量轉(zhuǎn)移到電池Cell3中。如果電池組還需要繼續(xù)對(duì)負(fù)載放電就需要依據(jù)電池的實(shí)際狀態(tài)采取相應(yīng)的均衡策略。在實(shí)際的放電過程中，根據(jù)電池組的實(shí)際電量狀態(tài)進(jìn)行均衡控制，可以達(dá)到相應(yīng)的均衡效果。

4 結(jié)語

通過均衡仿真實(shí)驗(yàn)證明了此均衡方案的可行性，此種均衡方案的均衡效率高，均衡速度快，控制簡單并且均衡電流平穩(wěn)連續(xù)。在均衡的過程中根據(jù)電池組的不同狀態(tài)采取不同的均衡策略，根據(jù)各單體電池的不同狀態(tài)采取不同的控制策略，從而快速有效地實(shí)現(xiàn)電池組的均衡。在實(shí)際的均衡中，為了達(dá)到較好的均衡效果，應(yīng)該選取合適的電感、電容及開關(guān)器件。

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Research on Bidirectional Battery Pack Equalizer with Double Deck Based on Cuk Chopper Circuit

LIU Hongrui1,DU Chunfeng1,CHEN Shilong1,LI Yuanzhuan1,XIA Chaoying2
（1.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

In order to achieve the energy balance between the series lithium ion battery cells quickly and effectively,a bidirectional battery pack equalizer with double deck based on Cuk chopper circuit is presented in this paper.The equalizer adopts two kinds of balance strategy.The battery cell with the highest state of charge（SOC）in battery pack circuit is fast balanced discharge by the Cuk chopper when the battery is in charging.When battery is in discharging or static state,battery cell has the lowest SOC in battery pack is fast balanced charge by the Cuk chopper circuit.The circuit principle of the equalizer is simple,the current is continuous and controllable strongly,and the efficiency is higher.Finally,the simulation balanced experiment is carried out to prove the feasibility of this scheme.

lithium ion battery;Cuk chopper circuit;equalizer;simulation balanced experiment

劉紅銳

10.13234/j.issn.2095-2805．2017．2.142

TM 911

A

劉紅銳（1982-），女，博士，講師，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：liuho ngr888@163.com。

杜春峰（1992-），男，碩士，研究方向：電池管理系統(tǒng)，E-mail：995268903@qq. com。

陳仕龍（1972-），男，通信作者，博士，教授，研究方向：高壓直流輸電，E-mail：chenshilong3@126.com。

李園專（1991-），男，碩士，研究方向：電池管理系統(tǒng)，E-mail：911423161@qq. com。

夏超英（1958-），男，博士，教授，研究方向：控制理論與應(yīng)用、自適應(yīng)控制理論與應(yīng)用、電力電子技術(shù)及裝置的研究，E-mail：xiachaoying@126.com。

2016-11-10

云南省基金資助項(xiàng)目（KKSY201404106）；云南省教育廳資助項(xiàng)目（2015Y073）

Project Supported by Yunnan Provincial Foundation（KKSY201 404106）;the Yunnan Provincial Department of Education（201 5Y073）