電池組改進(jìn)型電感均衡電路研究

楊堅(jiān) 張巧杰 趙旭

北京信息科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100192

一、引言

目前，由于單體電池難以滿足某些設(shè)施電壓和容量的要求，串聯(lián)電池組的應(yīng)用越來越廣泛。

由于單體電池的制作工藝特殊性，所生產(chǎn)的單體電池的內(nèi)阻、電壓及其工作溫度都會(huì)有所差異，導(dǎo)致單體電池初始容量也會(huì)有所差異，進(jìn)而使電池串聯(lián)使用時(shí)不均衡現(xiàn)象擴(kuò)大[1]。

由于串聯(lián)電池組間電池內(nèi)阻和極化電壓的作用，電池在充電模式下，容量較小的單體電池過充，容量較大的單體電池充電不足；在放電模式下，容量較小的單體電池先完成放電，容量較大的單體電池則剩余過多容量。隨著充放電次數(shù)的增加，會(huì)使容量小的電池容量急劇衰減甚至無法使用，最終將導(dǎo)致整個(gè)電池組失效，進(jìn)而影響用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

為了提高串聯(lián)電池組的性能，充電、放電或使用時(shí)，要保證電池組間容量的均衡。由于容量大小與電壓高低成正比關(guān)系，均衡電池組間容量及電池組間電壓，設(shè)計(jì)均衡電路拓?fù)?，?duì)串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡控制，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電池組電壓的不一致性，可以達(dá)到優(yōu)化性能和延長整體使用壽命的目的[2]。

為了提高傳統(tǒng)均衡電路的效率，改善其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、只能實(shí)現(xiàn)能量由高到低的單向逐級(jí)流動(dòng)的缺點(diǎn)，對(duì)經(jīng)典Buck-Boost電路進(jìn)行改進(jìn)，并以其作為均衡電路基本單元，通過控制開關(guān)管占空比，使串聯(lián)電池組中電壓高的電池單元自發(fā)向電壓低的電池單元轉(zhuǎn)移電能。通過電路分析、仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，所改進(jìn)的電感型均衡電路，減少了開關(guān)器件的使用，降低了電路的電能損耗，提高了均衡電路的效率，克服了電能只能由上至下的均衡方式。

二、傳統(tǒng)電感型均衡電路

四電池串聯(lián)傳統(tǒng)均衡電路如圖1所示，該電感均衡就是以電感為儲(chǔ)能元件，使能量以電流的形式在單體電池與單體電池之間或單體電池與電池組之間轉(zhuǎn)移，進(jìn)而使各個(gè)單體電池之間的能量達(dá)到平衡[3]。該均衡電路的每個(gè)均衡模塊為典型的升降壓斬波電路。該電路上下橋臂均采用電力場效應(yīng)晶體管MOSFET，每相鄰的兩個(gè)單體電池有一個(gè)均衡模塊，均衡模塊可以使能量在相鄰兩電池間雙向流動(dòng)，每個(gè)均衡模塊工作時(shí)只需對(duì)一個(gè)開關(guān)器件進(jìn)行開關(guān)控制，因此均衡電路的控制簡單，均衡電流可控，但均衡時(shí)能量只能在相鄰電池間傳遞，單體電池CELL4無法向CELL1充電。

三、均衡電路拓?fù)?/h2>

1、電路結(jié)構(gòu)

針對(duì)上述傳統(tǒng)電感均衡電路，提出了一種基于電感平衡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以從任一電壓較高的電池單元向電壓較低的電池單元轉(zhuǎn)移電能，不局限于相鄰單體電池的能量轉(zhuǎn)移，運(yùn)用大電池組充電放電，以及在電池組工作過程中，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償電池負(fù)載電流造成的不平衡，實(shí)現(xiàn)電池組間快速均衡，并且減少功率損耗，提高電池組的使用效率以及壽命[4]。

以4個(gè)蓄電池串聯(lián)為例，均衡電路拓?fù)渖舷聵虮塾呻娏鲂?yīng)晶體管 MOSFET組成。每個(gè)均衡代表一個(gè)改進(jìn)的Buck-Boost轉(zhuǎn)換器工作在雙向連續(xù)電流模式。它的輸入和輸出電壓由一個(gè)或多個(gè)串聯(lián)的電池單元組成，此結(jié)果改善了傳統(tǒng)均衡電路只能實(shí)現(xiàn)電能由高到低在相鄰單體間轉(zhuǎn)移的問題，提高了均衡系統(tǒng)的效率，具體電路拓?fù)淙鐖D2所示。

該均衡電路在電池充放電時(shí)，均衡能量在電池組內(nèi)部的各個(gè)單體電池之間轉(zhuǎn)移，它來自電池組，最終也回歸電池組。圖4為一個(gè)包含4個(gè)單體電池的電池組均衡模塊，均衡模塊中不包含獨(dú)立的電源，它由一個(gè)橋式開關(guān)矩陣和一個(gè)電感L組成。

2、改進(jìn)Buck-Boost電路

經(jīng)典Buck-Boost電路如圖3（a）所示。改進(jìn)后的Buck-Boost電路如圖3（b）所示，將二極管D1由一個(gè)MOSFET開關(guān)管Q2取代，以確保電能的雙向流動(dòng)和電感電流可以工作在連續(xù)狀態(tài)。將電阻R1由電池單元CELLj取代，輸入電壓源代表一組蓄電池組，負(fù)載表示單個(gè)電池或多個(gè)串聯(lián)的電池單元。

將改進(jìn)后的Buck-Boost電路作為均衡電路的基本均衡單元，對(duì)于每一個(gè)均衡單元，輸入電壓源可以由串聯(lián)電池組的一部分表示，輸出電壓可以由串聯(lián)電池組的另一部分部分表示，可以實(shí)現(xiàn)高電壓電池組整體轉(zhuǎn)移電能到低電壓電池組，提高電池組的均衡效率。

3、工作原理

本文以4個(gè)蓄電池串聯(lián)為例，均衡電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。該電路結(jié)構(gòu)在不使用變壓器的情況下，通過控制開關(guān)管的通斷，使串聯(lián)電池組中高電壓的任意電池單元向低電壓的任意電池單元流動(dòng)，不局限于相鄰電池單體之間自高向低的電壓均衡。這種電路結(jié)構(gòu)可以運(yùn)用在串聯(lián)電池組充電或放電等運(yùn)行過程中，利用電池組間電壓的差異，實(shí)時(shí)均衡串聯(lián)電池組中單體電池之間的電壓不平衡[5]。

均衡電路拓?fù)溆袃煞N均衡策略。均衡策略一如圖4（a）所示，電池充放電或靜置時(shí)，均衡能量通過均衡器直接由電池組中的高電壓單體電池向低電壓單體電池轉(zhuǎn)移。均衡策略二如圖4（b）所示，在電池充電時(shí)抑制電池組中的高電壓單體電池能量的上升，通過均衡器使其向同組中的其他所有單體電池放電，從而能量由電池組中的高電壓單體電池向同組中的其他所有電池轉(zhuǎn)移；在電池放電時(shí)對(duì)電池組中電壓最低的單體電池進(jìn)行能量補(bǔ)充，能量由同組中的其他所有單體電池向此低電壓的單體電池轉(zhuǎn)移。下面針對(duì)這兩種均衡策略對(duì)均衡電路的工作原理進(jìn)行具體分析。

（1）均衡策略一

假設(shè)單體電池CELL1電壓高于CELL2、CELL3、CELL4電壓，需要將CELL1中的電能向CELL2、CELL3、CELL4轉(zhuǎn)移，i1為輸入端電池CELL1的均衡放電電流，i2為輸出端電池CELL2、CELL3、CELL4的均衡充電電流，控制開關(guān)管Q6和Q10導(dǎo)通，控制Q2PWM通斷，其電能轉(zhuǎn)移回路如圖4（a）所示，電能由電池CELL1向電池CELL2、CELL3、CELL4轉(zhuǎn)移，進(jìn)行電壓均衡。若由CELL2、CELL3、CELL4組成的電池組向CELL1轉(zhuǎn)移電能，電流方向相反。

在電池充電時(shí)，高電壓單體電池通過均衡器向同組中的其他所有電池放電；而在電池放電時(shí)，電池組中的低電壓單體電池通過均衡器被同組中的其他所有電池充電。均衡能量轉(zhuǎn)移電路為改進(jìn)的Boost-Buck 升降壓斬波電路，且工作在電感能量完全轉(zhuǎn)換模式。如圖4（a）包含4個(gè)串聯(lián)單體電池的電池組，假定CELL1為電池組中電壓最高的單體電池，其放電開關(guān)為Q2和Q6，其余串聯(lián)電池中為電壓最低的電池單元，其充電開關(guān)為Q2和Q10。

（2）均衡策略二

若CELL1高于平均電壓水平，CELL3低于平均電壓水平，CELL2、CELL4在平均電壓附近，則可有最高單體電池給最低單體充電，如圖4（b）所示，在整個(gè)均衡過程中，只用到Q2、Q6、Q9開關(guān)管，電路損耗較小，電路結(jié)構(gòu)簡易，易于控制。

在電池充放電過程中，均衡能量通過均衡器直接由電池組中的高能量單體電池向低能量單體電池轉(zhuǎn)移。假定CELL1為電池組中電壓最高的單體電池，而CELL3為電池組中電壓最低的單體電池，則CELL1的放電開關(guān)為Q2、Q6，CELL3的充電開關(guān)為Q2和Q9，均衡時(shí)要實(shí)現(xiàn)能量由電池CELL1向電池CELL3轉(zhuǎn)移。

四、電路分析

由圖3（b），在t=0時(shí)，開關(guān)管Q1導(dǎo)通，Q2截止。電源電壓Vi全部加到電感L上，電感電流iL線性增長：當(dāng)t=Ton時(shí)，iL達(dá)到最大值iLmax。在Q1導(dǎo)通期間，iL的增長量為：

其中，Ton—開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間；

D—占空比；

Ts—周期。

在t=Ton時(shí)，Q1關(guān)斷，Q2打開，iL通過Q2續(xù)流，電感L的儲(chǔ)能向負(fù)載轉(zhuǎn)移。此時(shí)加在L上的電壓為-Vo，iL線性減小：

當(dāng)t=Ts時(shí)，iL達(dá)到最小值iLmin。在Q1截止期間，iL的減小量為：

穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，Q1導(dǎo)通期間，電感電流的增長量等于在截止期間的減小量。那么可得：

若不計(jì)損耗，則有：

開關(guān)管Q1截止時(shí)，加在其上的電壓為：

開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，加在Q2上的電壓為：

電感電流的平均值為：

流過開關(guān)管Q1的平均電流是輸入電流，有效值為：

流過Q2的平均電流是輸出電流，有效值為：

如果兩個(gè)單元存在電壓不平衡，平衡電流從電壓高的單元流向電壓低的單元。當(dāng)單元間電位差較大時(shí)，在均衡過程開始時(shí)，平均平衡電流的絕對(duì)值越大。隨著電池單元電壓均衡，當(dāng)單元間電位差減小時(shí)，均衡電流也減小。

在電池電壓之間的高度不匹配的情況下，平衡電流會(huì)達(dá)到非常高的值的情況下。因此，進(jìn)行電流或熱限制是必要的，以避免設(shè)備損壞[6]。

五、仿真結(jié)果

以4個(gè)蓄電池串聯(lián)為例，對(duì)上述均衡系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，其仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1仿真參數(shù)設(shè)置

表2 仿真結(jié)果對(duì)比

將4個(gè)12V電池模型串聯(lián)，搭建經(jīng)典電感型均衡電路和改進(jìn)型電感均衡電路，對(duì)比電壓均衡效果。為了縮短仿真時(shí)間，將電池容量縮小為2.4Ah?；诮?jīng)典電感型均衡電路只能在相鄰單體之間自高向低進(jìn)行均衡，所以4個(gè)串聯(lián)單體電池電壓依次由高到低進(jìn)行設(shè)置，CELL1初始電壓為12.09V，CELL2初始電壓為12.02V，CELL3初始電壓為11.98V，CELL4初始電壓為11.92V。

對(duì)比可知改進(jìn)前后單位時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移電能進(jìn)行比對(duì)，改進(jìn)后均衡電路均衡效率高于改進(jìn)前均衡電路。

為了驗(yàn)證其均衡電路的拓展性，用8個(gè)電池進(jìn)行串聯(lián)，有7個(gè)均衡單元，每個(gè)晶體管的占空比用前文公式進(jìn)行定義。圖5表示電池充電過程中的電池電壓均衡過程，在均衡系統(tǒng)中的電池的電壓已被定義在不同的水平。由于它是一個(gè)自然的平衡系統(tǒng)，電壓和電流不被控制，并出現(xiàn)一個(gè)短暫的穩(wěn)定化之前的均衡過程，收斂到相對(duì)穩(wěn)定的電壓水平。

為了減少模擬時(shí)間，電池容量該模型已在額定0.1mAh，開關(guān)頻率為100kHz，電池組的總電壓V=24V。

六、結(jié)論

本文提出的串聯(lián)電池組以電感和開關(guān)管作為基礎(chǔ)器件的均衡系統(tǒng)，以自然現(xiàn)象中能量由高到底轉(zhuǎn)移的思想，結(jié)合改進(jìn)型Buck-Boost電路所設(shè)計(jì)的主動(dòng)均衡型均衡系統(tǒng)，可以適用與多級(jí)電池串聯(lián)[7]，不同類型電池的串聯(lián)，在充電、放電以及使用過程中都可實(shí)現(xiàn)均衡。相對(duì)于典型電感均衡電路，本文所提出電路開關(guān)器件少，可實(shí)現(xiàn)低功耗高效率，電路簡單可行。在文章最后進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到良好的效果。但是所涉及系統(tǒng)中，尚未加入控制算法，會(huì)使均衡效果受到影響，在日后的研究中，需要加入控制算法，以提高均衡電路的使用效率。