基于Buck-Boost電路的能量轉(zhuǎn)移型均衡方案

劉征宇，孫慶，馬亞東，湯偉，王雪松

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

基于Buck-Boost電路的能量轉(zhuǎn)移型均衡方案

劉征宇1，2，孫慶1，馬亞東1，湯偉1，王雪松1

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；2.安全關(guān)鍵工業(yè)測(cè)控技術(shù)教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

提出了一種基于Buck-Boost電路的新型均衡電路，實(shí)現(xiàn)了鋰離子串聯(lián)電池組充放電均衡。根據(jù)均衡能量流向，采取兩種不同的均衡策略：電池組放電時(shí)，均衡能量由電池組向組內(nèi)荷電狀態(tài)(state of charge,SOC)較低的單體電池轉(zhuǎn)移；電池組充電時(shí)，均衡能量由電池組中SOC較高的單體電池向電池組轉(zhuǎn)移。以單體電池開路電壓在線估計(jì)為基礎(chǔ)，運(yùn)用開路電壓法估算SOC，選取SOC值在一定閾值范圍之外的單體電池作為均衡對(duì)象，對(duì)6節(jié)串聯(lián)的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行了充放電均衡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案可以有效減小單體電池間的不一致性，提升電池組的整體性，同時(shí)提高了電池組充放電容量。

均衡充放電；能量流向；升降壓電路；儲(chǔ)能通道；泄荷通道

0 引 言

鋰離子電池因其高能量密度、高電壓、高循環(huán)次數(shù)和低自放電率等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用[1-2]；但是其單體電壓低于5 V，不能滿足動(dòng)力電源對(duì)電壓的需求，因此在實(shí)際應(yīng)用中常使用串聯(lián)電池組來滿足設(shè)備對(duì)電壓的要求[3]。由于電池制造工藝上的缺陷以及使用環(huán)境的不同，各單體電池之間存在性能上的差異，這些差異會(huì)造成串聯(lián)電池組使用上的“短板效應(yīng)”[4]。電池均衡電路是克服“短板效應(yīng)”提升串聯(lián)電池組容量利用率且保證其使用安全的有效途徑[5-6]。能量轉(zhuǎn)移型均衡通過電容、電感、變壓器等儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，相比于能量耗散型均衡，這類方案普遍結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、對(duì)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)有較高的要求；但其能量利用率較高，是目前均衡研究的一個(gè)熱點(diǎn)[7]。電感均衡相比于電容均衡可以實(shí)現(xiàn)以SOC為均衡判據(jù)的電池組均衡；相比于變壓器均衡，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。另外，從均衡電流的可控性分析，采用電感作為儲(chǔ)能元件的均衡方案，其均衡電流的可控性強(qiáng)[8]。

基于Buck-Boost的均衡電路在電感均衡方案中較為常用，從均衡能量流向的角度上分析這種均衡電路可以較好地體現(xiàn)出其特點(diǎn)以及均衡過程。文獻(xiàn)[9]采用的基于Buck-Boost電路的均衡電路實(shí)現(xiàn)均衡能量從串聯(lián)電池組中端電壓或SOC較高的電池轉(zhuǎn)移到最低的電池。這種均衡策略可以在很短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電池組均衡，尤其適合單體電池?cái)?shù)目較多和不一致性較大的場(chǎng)合；但這無疑提高了開關(guān)控制的復(fù)雜程度，且開關(guān)切換過于頻繁，損耗較大。文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]采用的基于Buck-Boost電路的均衡電路實(shí)現(xiàn)了均衡能量各相鄰單體之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移。這種均衡策略適合于單體電池?cái)?shù)目較少以及電池不一致性較低的電池組，且易于模塊化；但對(duì)于電池?cái)?shù)目較多的串聯(lián)電池組，均衡能量可能需要較多次的轉(zhuǎn)移才可以到達(dá)需要均衡的電池，一是均衡能量損失較大，二是均衡能量可能會(huì)轉(zhuǎn)移給不需要均衡的電池影響其使用壽命，三是增加了均衡時(shí)間。文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[12]的基于Buck-Boost的均衡電路可實(shí)現(xiàn)的均衡能量轉(zhuǎn)移策略是：在電池組充電過程中均衡能量從串聯(lián)電池組中端電壓或SOC較高的電池轉(zhuǎn)移進(jìn)一個(gè)額外的儲(chǔ)能單元，在放電過程中均衡能量從該額外的儲(chǔ)能單元中轉(zhuǎn)移給端電壓或SOC較低的電池。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是控制策略簡(jiǎn)單，對(duì)單體電池?cái)?shù)目要求不高，而且不會(huì)影響其他不參與均衡的電池的充放電電流，但是它需要額外的儲(chǔ)能單元，增加均衡系統(tǒng)的體積和成本。

從均衡性能和電池組的使用安全性能上來看，上述最后一個(gè)方案是最為理想的均衡方案。但由于鋰離子電池制造工藝的不斷提升，以及電池組使用前的單體電池的篩選過程，單體電池間的差異正在逐步縮小，均衡能量不會(huì)過大；電感均衡電路的均衡電流可控性較高，可以通過少量多次的方式轉(zhuǎn)移均衡能量。因此在基于Buck-Boost的均衡電路中，均衡能量對(duì)其他不參與均衡的電池的充放電電流的影響較低；另外，額外存儲(chǔ)單元的容量有限且同時(shí)用于電池組的充放電均衡，存在電池組充電過程中剩余的容量空間不足以接收均衡能量或電池組放電過程中剩余容量低于所需均衡能量的問題。本文在省去額外存儲(chǔ)單元的基礎(chǔ)上提出了一種可實(shí)現(xiàn)在電池組充電過程中，均衡能量從串聯(lián)電池組中端電壓或SOC較高的電池轉(zhuǎn)移進(jìn)電池組，在放電過程中均衡能量從電池組中轉(zhuǎn)移給端電壓或SOC較低的電池的基于Buck-Boost電路的能量轉(zhuǎn)移型均衡方案。

1 均衡電路及工作原理

本文提出的基于Buck-Boost電路的新型均衡電路原理圖如圖1所示。

圖1 基于Buck-Boost電路的新型均衡電路Fig.1 New equalization circuit based on Boost-Buck circuit

1.1 充電均衡電路

圖2 充電均衡電路Fig.2 Charge equalization circuit

圖3 充電均衡簡(jiǎn)化電路Fig.3 Simplified charge equalization circuit

1.2 放電均衡電路

圖4 放電均衡電路Fig.4 Disharge equalization circuit

圖5 放電均衡簡(jiǎn)化電路Fig.5 Simplified discharge equalization circuit

1.3 能耗分析

本文采用典型的Buck-Boost斬波電路進(jìn)行電池組充放電均衡， 為了使電感的能量完全釋放，充放電均衡中的電感電流應(yīng)工作于電流斷續(xù)模式(DCM)，如圖6所示。

圖6 電感電流波形Fig.6 Inductor current waveform

階段1[0～ton]。儲(chǔ)能通道打開，電感存儲(chǔ)均衡電能，根據(jù)LC一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)可以得到電感中電流的變化為

(1)

式中：rds1為儲(chǔ)能通道的等效電阻；VD1為mosfet開關(guān)的正向?qū)▔航怠?/p>

到了ton時(shí)刻，電感中電流達(dá)到最大值IP為

(2)

階段2[ton～toff]。儲(chǔ)能通道斷開而泄荷通道導(dǎo)通，均衡電能從電感中轉(zhuǎn)移出去，這一過程中電感電流變化的表達(dá)式為

(3)

式中：rds2為泄荷通道的等效電阻；VD2為mosfet開關(guān)和二極管的正向?qū)▔航怠?/p>

由于電感的充放電時(shí)間很短，屬于ms級(jí)別，結(jié)合式(1)和式(3)，可知電感中電流大小與時(shí)間成線性關(guān)系，因而電感電流波形如圖6所示。通過將電流線性化處理計(jì)算出一次均衡能量轉(zhuǎn)移過程中電感存儲(chǔ)的能量為

(4)

轉(zhuǎn)移過程中，由于儲(chǔ)能通道等效電阻rds1和泄荷通道等效電阻rds2消耗能量，因此可以得到一次均衡過程的效率如式(5)所示；但由于儲(chǔ)能通道和泄荷通道的等效電阻是隨時(shí)間不斷變化地，式(5)只是一種簡(jiǎn)化的效率公式。

(5)

2 均衡流程

電池的荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)是電池管理方案的重要參數(shù)之一[13]。以SOC作為均衡判據(jù)不僅能夠達(dá)到提高電池組容量利用率的目的，同時(shí)還解決了一致性問題對(duì)電池組狀態(tài)識(shí)別影響的問題[14]。本文根據(jù)簡(jiǎn)化的PNGV電路模型Kalman濾波器離散時(shí)間方程和系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)在線估計(jì)單體電池開路電壓(OCV)[15]，OCV與SOC有相對(duì)固定的線性關(guān)系，這種線性關(guān)系受環(huán)境溫度以及鋰離子電池老化因素影響很小，所以根據(jù)開路電壓可以估計(jì)SOC。SOC-OCV的關(guān)系曲線圖如圖7所示，因此SOC估算的精度取決于OCV的估算精度。

圖7 SOC-OCV曲線Fig.7 SOC-OCV diagram

本均衡電路采用SOC作為判據(jù)，具體均衡流程為：

Step1，設(shè)定充放電閾值SOCcharge和SOCdischarge。

Step2，估算每個(gè)電池的剩余容量SOC[i]，并計(jì)算所有單體電池SOC的平均值SOCav。

Step3，根據(jù)SOC[i]> SOCcharge+SOCav和SOC[i]

Step4，由式(1)和式(3)可知，當(dāng)ton和toff是ms級(jí)別時(shí)，電感充電電流波形可以看成一條斜直線，所以通過電感的平均電流為IP/2。結(jié)合簡(jiǎn)化效率公式(5)可得需要參與均衡的電池E[i]的均衡次數(shù)為

(6)

式中CN為單體電池額定容量。依據(jù)均衡次數(shù)，按照既定的均衡策略進(jìn)行電池組充放電均衡。

Step5，循環(huán)執(zhí)行Step4，直到所有需要參與均衡的電池的均衡過程執(zhí)行完畢為止。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

將該均衡電路和均衡策略集成到實(shí)驗(yàn)室研制的電池保護(hù)板上進(jìn)行恒流5 A充放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)硬件實(shí)物圖如圖8所示。

圖8 硬件實(shí)物圖Fig.8 Hardware physical picture

選取經(jīng)過500次充放電循環(huán)后的12節(jié)磷酸鐵鋰電池鋰離子電池(循環(huán)壽命達(dá)到2 000次以上)進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，單體電池的額定容量10 Ah、額定電壓3.2 V、充電截止電壓3.6 V、放電截止電壓2.0 V，并將這12節(jié)電池分成A和B兩組用于均衡實(shí)驗(yàn)；另外，再選取一節(jié)同型號(hào)電池用于SOC估算實(shí)驗(yàn)；效率值η取為75%；導(dǎo)通時(shí)間ton取為50 μs，關(guān)斷時(shí)間toff取為100 μs；實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃。

3.1 OCV估算實(shí)驗(yàn)

首先測(cè)出用于SOC估算實(shí)驗(yàn)的磷酸鐵鋰電池5 A 充放電電流下的OCV與時(shí)間t曲線，然后將Kalman濾波SOC估算算法嵌入到均衡系統(tǒng)中，分別進(jìn)行5 A充放電電流下的充放電OCV估算實(shí)驗(yàn)，最后將OCV與時(shí)間t曲線及充放電的OCV估算數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab之中，擬合出來的曲線圖如圖9所示。

可以看出，OCV的估算在充放電的前期過程誤差較大，但很快估算曲線便十分接近于真實(shí)曲線；因此均衡所用到的SOC估算值應(yīng)選取于估算曲線的后期，這些SOC誤差將低于5%，對(duì)均衡精度的影響很小。下面的充放電實(shí)驗(yàn)考慮到這一問題，設(shè)定充放電均衡的SOC閥值分別為60%和30%。

圖9 OCV估算擬合曲線Fig.9 OCV estimate fitting curve

3.2 充電均衡實(shí)驗(yàn)

將A組的6節(jié)電池標(biāo)準(zhǔn)放空。將它們串聯(lián)起來進(jìn)行無均衡充電實(shí)驗(yàn)，當(dāng)任意一節(jié)電池的電壓達(dá)到充電截止電壓3.6 V時(shí)，停止充電，記錄每節(jié)電池的SOC值，如表1。然后分別給各節(jié)電池標(biāo)準(zhǔn)放空，再進(jìn)行有均衡充電實(shí)驗(yàn)，當(dāng)任意一節(jié)電池的SOC值達(dá)到充電閥值60%時(shí)，啟動(dòng)充電均衡，并作出每節(jié)電池SOC變化曲線如圖10所示。當(dāng)任意一節(jié)電池的電壓達(dá)到充電截止電壓3.6 V時(shí)，停止充電并記錄每節(jié)電池的SOC值，如表1所示。

圖10 充電均衡過程Fig.10 Charge equalization process

表1 充電實(shí)驗(yàn) Table 1 Charge experiments

3.3 放電均衡實(shí)驗(yàn)

將B組的6節(jié)電池獨(dú)立充電，使得6節(jié)電池的初始容量均為90%。電池串聯(lián)后，對(duì)其進(jìn)行無均衡放電實(shí)驗(yàn)，當(dāng)任意一節(jié)電池的電壓達(dá)到放電截止電壓2.6 V時(shí)，停止放電，并記錄每節(jié)電池的SOC，如表2所示。然后使各節(jié)電池分別恢復(fù)至初始容量90%，將其再次串聯(lián)后進(jìn)行有均衡放電實(shí)驗(yàn)，當(dāng)任意一節(jié)電池的SOC低于放電閥值30%時(shí)，啟動(dòng)放電均衡，并作出各單體電池SOC變化曲線如圖11所示，當(dāng)任意一節(jié)電池的電壓達(dá)到放電截止電壓2.6 V時(shí)，停止放電，并記錄各單體電池的SOC，如表2所示。

圖11 放電均衡過程Fig.11 Discharge equalization process

3.4 結(jié)果分析

從表1中得到的無均衡充電實(shí)驗(yàn)情況下各節(jié)電池的SOC數(shù)值可以看出，由于單體電池間的不一致性，電池組充完電之后，單體電池的SOC極差值達(dá)到12.20%，電池組充入的總?cè)萘恐挥衅漕~定容量的83.23%，其中電池E4只充入了79.03%的電量。而在均衡充電實(shí)驗(yàn)的情況下，單體電池間的SOC極差值只有6.12%，電池組充入的總?cè)萘空计漕~定容量的87.11%，充入電量最低的電池也達(dá)到了84.27%。比較無均衡和有均衡充電實(shí)驗(yàn)，可以看出，該方案有效地改善了單體電池間的不一致性，使得均衡后的單體電池SOC極差值降低了約6個(gè)百分點(diǎn)；另外通過比較電池組的可充入容量，可以看出均衡后的電池組可充入容量增加了約4%，該方案提高了電池組的可充入容量。圖10反映了電池組充電實(shí)驗(yàn)的均衡過程，由于均衡時(shí)，電池E5和E1的能量會(huì)被抽取出來反饋給電池組，這兩個(gè)電池的SOC增長(zhǎng)率慢慢降低，使得各單體電池的SOC逐漸趨于一致。總體上來看，該充電均衡方案較大的改善了單體電池間的不一致性，同時(shí)提高了電池組的充入容量。

表2 放電實(shí)驗(yàn)Table 2 Discharge experiments

表2中的無均衡放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，單體電池間的不一致性導(dǎo)致電池組中單體電池SOC的極差值為9.15%，電池組剩余容量占總?cè)萘康?5.43%，其中電池E2還有20.06%的電能沒有放出。在均衡放電的條件下，單體電池SOC的極差值只有5.57%,電池組剩余電能為13.58%，相比無均衡的電池組，單體電池SOC的極差值降低了3.58，電池組可放出能量增加了1.85%，另外，剩余容量最多的電池E4只有15.87%的能量未放出。從圖11中可以看出由于均衡能量從電池組不斷轉(zhuǎn)移給電池E1和E5，所以它們的放電速率明顯低于其他節(jié)電池。總體來講，該放電均衡方案增強(qiáng)了電池組的整體性，同時(shí)提高了電池組的能量利用率。

4 結(jié) 論

本方案在保證鋰電池組的充放電安全的前提下，較好地實(shí)現(xiàn)了電池組的充放電均衡，改善了單體電池間的不一致，同時(shí)提高了電池組的充放電容量。今后的研究可放在兩個(gè)大方面上：一是優(yōu)化均衡閥值、充放電閾值以及均衡次數(shù)，細(xì)致研究分析它們對(duì)均衡效果的影響，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化選擇進(jìn)一步提升均衡效果；二是通過開關(guān)配置，本電路同樣適用于其他均衡策略，靈活運(yùn)用各種均衡策略，在不同充放電階段采用不同的均衡策略，觀察均衡效果。

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(編輯：劉琳琳)

Energy-transferringequalizationschemebasedonBoost-Buckcircuit

LIU Zheng-yu1,2，SUN Qing1，MA Ya-dong1，TANG Wei1，WANG Xue-song1

(1.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industry Measurement and Control Technology of Ministry of Education,Hefei 230009,China)

A new equalization circuit based on Boost-Buck circuit was proposed,which realizes the charge and discharge equalization of series-connected lithium-ion batteries.Two different balancing strategies were used respectively according to the balanced energy-transferring direction.When battery pack was discharging,the balanced energy was transferred from the battery pack to the batteries with lower stage of charge (SOC); When battery pack was charging,the balanced energy was transferred from the higher SOC batteries to the battery pack.The scheme were based on online estimation of open circuit voltage(OCV)of single cell,which takes advantage of OCV-SOC curve to estimate the stage of charge(SOC)，balanced objects were selected whose SOC are outside a certain range and an experiment was performed for six serially connected LiFeP04 battery cells.Experimental results confirm that the inconsistency between the single cells is validly reduced,the integrity of the battery pack is improved and the charging and discharging of battery pack is increased．

charge and discharge equalization; energy-transferring direction; Boost-Buck circuit; energy storage channel; unloading channel

10.15938/j.emc.2017.09.010

TM 315

:A

:1007-449X(2017)09-0073-07

2016-02-22

國家國際科技合作專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2012DFB10060)；合肥工業(yè)大學(xué)應(yīng)用科技培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目

劉征宇(1979—)，男，副教授，研究方向?yàn)樾履茉雌嚹芰肯到y(tǒng)建模與控制、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；孫 慶(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚹芰肯到y(tǒng)建模與控制；馬亞東(1991—)，男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚹芰肯到y(tǒng)建模與控制；湯 偉(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚹芰肯到y(tǒng)建模與控制；王雪松(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚹芰肯到y(tǒng)建模與控制。

孫 慶