一種串聯(lián)鋰離子電池組P-C-C-P均衡器及其控制方法*

劉紅銳，古棟華，李海瑞，張 彬，錢 晶

（1.昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院，昆明 650500；2.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，昆明 650039）

前言

近年來鋰離子電池技術(shù)有了巨大的進(jìn)步，磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池、鈷酸鋰電池等相繼出現(xiàn)，鋰離子電池性能明顯提高，但鋰離子電池組內(nèi)部單體電池間的不一致性依然普遍存在。

隨著鋰離子電池在電動汽車實(shí)際使用中充、放電次數(shù)的增多和溫度與自放電等因素的影響，單體電池間的性能差異愈加明顯。此外，過充和過放會對鋰離子電池造成不可恢復(fù)的損害，串聯(lián)鋰離子電池組的容量由組內(nèi)最低的單體電池容量決定，單體性能不一致的電池組在充電過程中只要有一個單體電池被充滿或達(dá)到充電截止電壓時則必須停止充電；而在放電過程中只要有一個電池被放空或達(dá)到放電截止電壓時則必須停止放電，因此電池組的能量得不到充分利用。另外，這種不一致性將導(dǎo)致某些單體電池的容量迅速衰減，電池組的壽命明顯縮短。

1 現(xiàn)有的均衡方法及其特點(diǎn)

為解決串聯(lián)蓄電池間單體電池能量不一致的問題，目前有許多均衡方法，可分為能耗型均衡和非能耗型均衡，也可稱為被動均衡和主動均衡。

1.1 能耗型均衡

能耗型均衡是通過在電池兩端并聯(lián)電阻對電池進(jìn)行放電，消耗電池多余能量，從而達(dá)到均衡的目的。這種方法電路結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，且易于實(shí)現(xiàn)，但存在能量浪費(fèi)、電阻溫升嚴(yán)重、均衡時間長等明顯的缺點(diǎn)，因此這種方法目前只是用在充電均衡中，且只適用于容量較小的電池組。

1.2 非能耗型均衡

非能耗型均衡的主要特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，均衡過程的控制難度較大，但均衡過程中的能量耗散較少，經(jīng)濟(jì)性更好。

根據(jù)均衡所采用均衡元件的不同，非能耗型均衡包括電池旁路均衡、電容均衡、電感均衡、LC均衡和變壓器均衡等方法。電池旁路均衡是通過切換開關(guān)，將達(dá)到電壓閾值的單體電池從電流回路中切除，這種方法具有成本低、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但只能應(yīng)用于小功率的場合；電容均衡的實(shí)質(zhì)是通過單體電池間的電壓差來實(shí)現(xiàn)均衡，但由于鋰離子單體電池間實(shí)際的電壓相差很小，電容均衡很難使能量轉(zhuǎn)移，因此其均衡時間較長、效率較低；電感均衡將電感作為儲能元件，以電感中的電流變化進(jìn)行能量均衡，在均衡過程中電流的可控性強(qiáng)，均衡速度快，但其成本較高；LC均衡即采用電感和電容作為儲能元件進(jìn)行均衡，該方法彌補(bǔ)了電容均衡法不易達(dá)到均衡狀態(tài)的缺點(diǎn)，但均衡電路復(fù)雜，成本較高，控制難度較大；變壓器均衡常見的是多磁芯、多副邊變壓器均衡，變壓器的損耗與制作成本較高，但其均衡效率與可靠性較高，在實(shí)際中的應(yīng)用較多。

基于以上均衡方法的特點(diǎn)，本文中提出一種基于反激式變壓器的P-C-C-P均衡器（反激式變壓器通過原邊電源向原邊繞組儲存能量，并在原邊斷開時將能量轉(zhuǎn)移至副邊繞組），該均衡器可根據(jù)電池荷電狀態(tài)和均衡需要，選擇不同的均衡策略從而達(dá)到不同的均衡效果，均衡靈活性較高，均衡原理簡單。均衡器采用反激式變壓器作為能量轉(zhuǎn)移的媒介，在任一種均衡策略中，只需對一個MOSFET進(jìn)行PWM控制，能量損耗小。

2 均衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理

2.1 均衡器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

均衡器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。電池系統(tǒng)由n個分別標(biāo)記為B、B、…、B的單體電池串聯(lián)組成，均衡器由4n個帶反并聯(lián)二極管的MOSFET功率開關(guān)管，1個主控開關(guān)M，1個二極管D，2個電容C和一個反激式變壓器T組成。其中，4n個帶反并聯(lián)二極管的MOSFET功率開關(guān)管包括上層功率開關(guān)Q和下層功率開關(guān)S，上層功率開關(guān)Q由Q及Q（1≤i≤n）組成，下層功率開關(guān)S由S及S（1≤i≤n）組成。

圖1 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 均衡器工作原理

均衡器可實(shí)現(xiàn)3種不同的均衡策略。根據(jù)能量轉(zhuǎn)移方式分為電池組到單體電池P-C（pack-cell）、單體電池到單體電池C-C（cell-cell）和單體電池到電池組C-P（cell-pack）。本文中以4節(jié)單體電池為例分析均衡電路的工作原理。

采用C-C均衡策略，表示單體與單體之間的均衡，即電池組中SOC值高的單體電池給SOC值低的單體電池充電，如圖2所示。假設(shè)電池組中B的SOC值最高，B的SOC值最低，則以B向B進(jìn)行能量均衡。此時，控制Q和S處于導(dǎo)通狀態(tài)，選通單體電池B；控制Q和S處于導(dǎo)通狀態(tài)，選通單體電池B，并對主控開關(guān)M進(jìn)行PWM控制。當(dāng)主控開關(guān)M導(dǎo)通時，單體電池B中的能量儲存在反激式變壓器中；M關(guān)斷時，儲存在變壓器中的能量轉(zhuǎn)移到單體電池B中。

圖2 C-C均衡策略示意圖

當(dāng)電池組中的單體數(shù)目較多時，采用C-C均衡策略，即單體電池一對一地轉(zhuǎn)移電能，勢必要花費(fèi)較長時間，效率較低。為此，提出P-C均衡策略和C-P均衡策略。

P-C均衡策略適用于電池組某個單體電池的SOC值最低，而其他單體電池間SOC的差值小于1%的場合，選擇由整個電池組向SOC值最低的單體放電，如圖3所示。比如假設(shè)電池組中單體電池B的SOC值最低，其他單體電池的SOC差值小于1%，則由電池組向B進(jìn)行放電。此時，Q和S處于導(dǎo)通狀態(tài)，選通電池組；控制Q和S處于導(dǎo)通狀態(tài)，選通單體電池B，并對主控開關(guān)M進(jìn)行PWM控制。當(dāng)主控開關(guān)M導(dǎo)通時，電池組中的能量轉(zhuǎn)移到反激式變壓器中；M關(guān)斷時，儲存在變壓器中的能量就轉(zhuǎn)移到單體電池B中。

圖3 P-C均衡策略示意圖

C-P均衡策略適合于電池組中某個單體的SOC值最高，而其他單體間SOC的差值小于1%，選擇由SOC值最高的單體向整個電池組放電，如圖4所示。比如假設(shè)電池組中單體電池B的SOC值最高，其他單體電池的SOC值差異小于1%，則由單體B向整個電池組放電。此時，Q和S處于導(dǎo)通狀態(tài)，選通單體B；控制Q和S處于導(dǎo)通狀態(tài)，選通電池組，并對主控開關(guān)M進(jìn)行PWM控制。當(dāng)主控開關(guān)M導(dǎo)通時，單體B中的能量便轉(zhuǎn)移到反激式變壓器中；M關(guān)斷時，儲存在變壓器中的能量便轉(zhuǎn)移到電池組中。

圖4 C-P均衡策略示意圖

均衡過程中的一個開關(guān)周期內(nèi)，電池放出的能量為E，能量損耗為E，能量轉(zhuǎn)移效率為η。

式中：R為主控開關(guān)M的導(dǎo)通電阻；V為二極管D的導(dǎo)通壓降；i為均衡器原邊電流；i為副邊電流；u為變壓器原邊所接的單體電池或電池組的電壓；t為主控開關(guān)M在一個周期T內(nèi)的導(dǎo)通時間。

3 均衡實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺

為驗(yàn)證本文提出的均衡器和均衡策略的可行性，選用4個串聯(lián)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行均衡實(shí)驗(yàn)。每個單體電池的額定電壓為3.2 V，額定容量為21 A·h。均衡實(shí)驗(yàn)為SOC均衡，采用開路電壓法通過E-SOC曲線來估算SOC值，均衡器中的主控開關(guān)M采用導(dǎo)通電阻為8 mΩ的N溝道MOSFETIRF3205。同時以無均衡的4個單體電池來進(jìn)行充放電對照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，PWM波形與均衡電流波形均由TBS2000數(shù)字熒光示波器獲取，利用MC2000S軟件監(jiān)測串聯(lián)電池組在充放電過程中的電壓與電流，此外還有電壓探頭、電流探頭和直流電源等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)平臺如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺

3.2 電池組在充電狀態(tài)下的均衡實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)使用的4個單體電池的初始SOC分別為8.93%、13.15%、19.48%和30.87%。整個充電均衡過程包括由電網(wǎng)向電池組充電和電池組內(nèi)部單體之間的均衡過程，兩者同時進(jìn)行。電池組在充電過程中，每次充電時間為6 min，充電電流為10 A，當(dāng)電池組中有任意一個單體電池的SOC值達(dá)到（75±2）%時，則停止充電過程。而電池組內(nèi)部的均衡過程是，開始時選擇電池組中SOC值最高的B向SOC值最低的B進(jìn)行均衡放電，即C-C模式。每次充電后，重新選擇電池組中SOC值最高的單體電池向SOC值最低的單體電池放電。當(dāng)電池組中各單體間的SOC值最大差值降低到±1%或當(dāng)電池組充電過程結(jié)束時，則停止均衡過程。

充電均衡過程進(jìn)行至第72 min時，由于B的SOC值達(dá)到了76.94%，因此須停止充電過程。充電均衡后各電池單元的SOC值如表1所示。

表1 充電均衡過程結(jié)束后各單體電池SOC

主控開關(guān)M的PWM波形和均衡電流波形如圖6所示。

圖6 充電狀態(tài)下的均衡電流波形

3.3 電池組在放電狀態(tài)下的均衡實(shí)驗(yàn)

以初始容量分別為74.58%、73.19%、76.23%和76.94%的4個單體電池進(jìn)行放電均衡實(shí)驗(yàn)。整個放電均衡過程同樣包括整個電池組放電和電池組內(nèi)部單體之間的均衡過程，兩者同時進(jìn)行。電池組在放電過程中，每次放電時間為6 min，放電電流為10 A，當(dāng)電池組中有任意一個單體電池的SOC值達(dá)到（15±2）%，則停止放電過程。

而電池組內(nèi)部的均衡過程是：開始時，選擇電池組中SOC值最高的單體電池B向SOC值最低的單體電池B均衡放電。每次放電后，重新選擇電池組中SOC值最高的單體電池向SOC值最低的單體電池放電。若各單體電池間SOC的最大差值降低到±1%，或放電過程結(jié)束，則停止均衡過程；但若其中某個單體電池的SOC值最高（或最低），而其他單體電池間的SOC差值小于1%時，則控制SOC值最高的單體向整個電池組放電，即C-P模式（或整個電池組向SOC值最低的單體放電，即P-C模式），以加快均衡過程。

放電均衡過程進(jìn)行至第144 min時，由于B的SOC值達(dá)到了16.07%，停止整個放電均衡過程。放電均衡后各電池單元的SOC值如表2所示。

表2 放電均衡過程結(jié)束后各單體電池SOC

主控開關(guān)M的PWM波形和均衡電流波形如圖7所示。

圖7 放電狀態(tài)下的均衡電流波形

3.4 電池組在靜置狀態(tài)下的均衡實(shí)驗(yàn)

以初始容量分別為16.62%、16.07%、16.95%和16.24%的4個單體電池進(jìn)行靜置均衡實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中選擇SOC值與電池組平均SOC差值最大的兩個單體電池進(jìn)行C-C模式的均衡。當(dāng)各單體電池間SOC的最大差值降低到±1%時，則結(jié)束靜置均衡過程，否則繼續(xù)上述均衡過程。靜置均衡結(jié)束后各單體電池的SOC值如表3所示。

表3 靜置均衡過程結(jié)束后各單體電池SOC

均衡過程中4個單體電池的SOC變化曲線如圖8所示。

圖8 充放電及靜置狀態(tài)下各單體電池SOC變化曲線

3.5 無均衡對照實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中，搭建以4個單體電池為基礎(chǔ)的串聯(lián)無均衡對照實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀ＴO(shè)置各單體電池初始SOC值與均衡實(shí)驗(yàn)SOC初始值一致，并以10 A的電流向電池組進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。充放電結(jié)束后各單體電池的SOC值如表4所示。

表4 無均衡條件下充放電后各單體電池SOC

充放電過程中4個單體電池的SOC變化曲線如圖9所示。

圖9 無均衡實(shí)驗(yàn)各單體電池的SOC變化曲線

3.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過表1～表3可知，經(jīng)充放電和靜置均衡后，各單體電池間SOC的最大差值由21.94%減小到0.38%；通過表4可知，無均衡條件下，經(jīng)充放電和靜置過程后，各單體電池間的最大SOC差值為20.44%。

由圖8與圖9對比可知，加入均衡器的電池組在充電72 min后達(dá)到充電截止條件，放電72 min后達(dá)到放電截止條件；而未加均衡器的電池組在充電72 min后，SOC值最高的單體達(dá)到了84.76%，放電72 min后，SOC值最低的單體達(dá)到了10.18%。

對均衡前后的SOC總體標(biāo)準(zhǔn)差?進(jìn)行計(jì)算，總體標(biāo)準(zhǔn)差?越小，各單體電池的一致性越好；反之，各單體電池的一致性越差。

總體標(biāo)準(zhǔn)差?計(jì)算公式為

經(jīng)計(jì)算，串聯(lián)電池組初始與均衡后的SOC總體標(biāo)準(zhǔn)差?分別為7.981和0.135。由此可知，加入均衡器后，可以使電池組在充放電過程中，始終保持在相對安全的環(huán)境，串聯(lián)電池組的充放電容量都得到較大提升。這說明該均衡器具有良好的均衡效果，降低了各單體電池間的不一致性，使整個電池組的可用容量得到提升，從而避免電池組中某個初始容量最高或最低的單體電池先達(dá)到極限值，而導(dǎo)致整個電池組無法繼續(xù)充電或放電的情況發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了延長電池組使用壽命并提升電動汽車?yán)m(xù)航能力的目標(biāo)。

4 結(jié)論

鋰離子電池的均衡控制技術(shù)是電池管理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，針對電動汽車鋰離子電池組各單體電池間始終存在電量的不一致性問題，提出一種基于反激式變壓器的P-C-C-P均衡電路。該電路具有體積小、均衡效果好、成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，在充放電和靜置過程中可以根據(jù)情況在3種均衡策略中自由切換，提升了均衡速度。通過與無均衡實(shí)驗(yàn)的對比分析，說明該均衡器可以較好地解決電池單體間的不一致性，延長了電池組的使用壽命，提高了電動汽車的續(xù)航能力。伴隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，未來可以選擇損耗更小的開關(guān)器件，從而進(jìn)一步提升均衡效果。