電容式Buck-Boost動力電池主動均衡系統(tǒng)參數(shù)計算與分析

陳善球 方瑞蓮 徐浩然 周航

摘要：通過對電動汽車電池均衡系統(tǒng)功能、類型、工作過程進(jìn)行分析，建立電容式Buck-Boost動力電池主動均衡系統(tǒng)的電路模型及數(shù)學(xué)模型，基于Matlab軟件分析中間載體電容器電壓、存儲的能量隨充放電時間的變化規(guī)律，為電動汽車動力電池系統(tǒng)參數(shù)匹配計算及方案選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：電容;Buck-Boost;變化規(guī)律

0? 引言

新能源汽車是汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、升級的重要突破口，也是汽車產(chǎn)業(yè)在能源緊缺、環(huán)境污染背景下可持續(xù)發(fā)展的重要方向之一;在汽車電動化不可逆轉(zhuǎn)的趨勢下，純電動汽車成為新能源汽車的典型代表，節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢使其在乘用車、城市及短途領(lǐng)域中逐步普及。為使驅(qū)動電機獲得足夠的驅(qū)動力，并保證整車?yán)m(xù)航里程滿足一定的要求，電動汽車需匹配由上百、甚至上千個單體電池組成的動力電池組。在制造過程中，即使都是合格品，每個單體電池的溫度特性、電氣特性、衰變速度、阻抗及容量等參數(shù)也會存在一定的初始性能差異，在純電動汽車連續(xù)工作過程中，特別是在加速、爬坡等需要動力電池大電流放電的工況下，單體電池初始的不一致性會惡化，加速動力電池單體間的電池狀態(tài)或電壓等性能參數(shù)的差異。動力電池單體電池間或模塊間的不一致性會使電池組容量效率下降，降低純電動汽車的續(xù)航里程，因此，對動力電池實施均衡管理是必要的，是解決電池單體間或模塊間不一致性問題的重要手段之一。

1? 均衡電路模型分析

動力電池均衡技術(shù)是指人為干預(yù)電池組內(nèi)的所有單體電池綜合性能趨于一致，保證電池安全性及電池組性能的充分發(fā)揮。通常有被動均衡和主動均衡兩種類型，被動均衡是通過對能量高的電池進(jìn)行放電分流，以耗能的方式實現(xiàn)均衡;主動均衡是通過電容、電感及變壓器等載體進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移方式實現(xiàn)均衡。以電容式Buck-Boost動力電池主動均衡系統(tǒng)為例進(jìn)行研究，系統(tǒng)方框圖如圖1所示，當(dāng)電壓檢測單元檢測到單體電池A與B之間的電壓差達(dá)到均衡閾值時，均衡控制中心觸發(fā)晶體管Q1導(dǎo)通，使能量高的單體電池A向中間存儲單元電容器充電，充滿電后Q1截至，同時觸發(fā)Q2導(dǎo)通，電容器C向能量低的單體電池B放電，從而實現(xiàn)利用電容器作為載體將電壓高的單體電池能量轉(zhuǎn)移到電壓低的單體電池。

以三個單體電池為一個模塊，單體電池間以電容為中間存儲單元的主動均衡電路模型如圖2所示，電池組模塊包含單體電池B1、B2、B3，中間能量存儲單元為電容器C1、C2，均衡控制元件為N-MOSFET晶體管Q1、Q2、Q3、Q4;電壓檢測單元實時檢測單體電池電壓U1、U2、U3，并計算兩兩之間的電壓差。相鄰單體間的能量轉(zhuǎn)移工作原理為：假設(shè)單體電池B1的內(nèi)阻大于單體電池B2的內(nèi)阻，在充電過程，B1的電壓先達(dá)到極限值;在充電末端實施均衡管理時，若ΔU12≧a（a啟動均衡閾值電壓），Q1的柵極G會得到一個觸發(fā)電壓，使Q1導(dǎo)通，B1給電容C1充電，充電結(jié)束時，Q1截至;Q2導(dǎo)通，C1給單體電池B2充電，實現(xiàn)單體電池B1將多余能量通過電容C1轉(zhuǎn)移到單體電池B2。在放電過程中，因為B1的內(nèi)阻比B2大，則B1耗電速度比B2快，同理，在停車放電末端進(jìn)行均衡管理時，若ΔU21≧a，能量轉(zhuǎn)移原理相同，只是Q1、Q2的觸發(fā)導(dǎo)通順序調(diào)換，即Q2先觸發(fā)導(dǎo)通，完成給C1充電后截至，Q1方可導(dǎo)通，將C1的能量轉(zhuǎn)移給單體電池B1。因此，基于該電路模型的單體電池可以通過升壓或降壓的方式實現(xiàn)均衡過程。

2? 均衡數(shù)學(xué)模型分析

2.1 高電壓單體電池給中間儲能單元轉(zhuǎn)移能量分析

首先研究動力電池在充電結(jié)束階段的主動均衡管理，以電容為中間存儲單元的相鄰單體電池間的主動均衡包含電容器的充電過程和放電過程，首先分析充電過程。如圖3所示，U1為單體電池B1的初始端電壓，R1為電池、電容及晶體管的總內(nèi)阻，UC1為電容器端電壓;均衡開始時，晶體管Q1導(dǎo)通，單體電池B1經(jīng)過晶體管Q1給電容C1充電，假設(shè)電容器C1無初始?xì)埩綦姾?。則充電到t時刻的電壓平衡方程為：

2.2 中間儲能載體向電壓低的單體電池轉(zhuǎn)移能量分析

高能量單體電池B1給電容元件C1充電結(jié)束后，晶體管Q1截至;同時晶體管Q2觸發(fā)導(dǎo)通，C1放電，并向低能量單體電池B2轉(zhuǎn)移能量，運用充電過程相同的分析方法可得放電過程電容C1的端電壓與隨時間的變化規(guī)律，

3? 能量轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)分析

假設(shè)已知U1=3.7V，U2=3.68V，C1=1000μF，R1=250mΩ，R2=200mΩ，單體電池容量CB=2200mAh，電容器電壓值隨充電時間（以時間常數(shù)為單位）的變化規(guī)律如圖5所示。從圖數(shù)據(jù)可知，理論上需要充電時間t=∞，電容器方可充滿，但實際在經(jīng)歷6個時間常數(shù)后，充電基本結(jié)束;同理，在電容器給低電壓的單體電池B2放電過程，電容電壓隨放電時間的變化規(guī)律如圖5所示，經(jīng)歷6個時間常數(shù)后放電基本結(jié)束，則可得晶體管的占空比為0.5。一個均衡周期的時間。

將研究案例的已知參數(shù)代入式（9）及式（13）可得電容器存儲的能量隨充放電時間的變化規(guī)律如圖6所示，經(jīng)歷6個時間常數(shù)的充電時間后電容器存儲的能量達(dá)到最大值，在經(jīng)歷6個時間常數(shù)的放電時間后電容器存儲的容量被釋放完成，一個均衡周期可轉(zhuǎn)移的能量為

從分析曲線及數(shù)據(jù)可知，在充電末端進(jìn)行均衡時（均衡方向是B1往B2轉(zhuǎn)移能量）在電容值、單體電池均衡初始電壓、內(nèi)阻值確定的前提下，均衡過程中電容電壓值及電容存儲的能量大小隨均衡時間變化而變化，在1-3個時間常數(shù)范圍內(nèi)變化速度快，3-6個時間常數(shù)的時間里變化緩慢，且在第6個時間常數(shù)里達(dá)到充滿或放完的極限。在停車放電末端進(jìn)行均衡時，中間載體電容器的電容及存儲能量隨時間的變化規(guī)律與充電末端均衡的變化規(guī)律類似，但能量轉(zhuǎn)移方向相反（B2往B1轉(zhuǎn)移能量）。

4? 小結(jié)

電動汽車主動均衡管理通過中間載體單元將高電壓電池的能量轉(zhuǎn)移給低電壓電池，緩解因制造及使用差異帶來的單體電池間不一致性問題，提高電池組的容量使用效率，從而提高整車?yán)m(xù)航里程。中間儲能載體的類型選擇、參數(shù)值分析與計算是影響均效果的重要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1]王芳，夏軍.電動汽車動力電池系統(tǒng)設(shè)計與制造技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2018.

[2]吉培榮.電工學(xué).[M].北京：中國電力出版社，2012.

[3]李銳華，李冀，胡波，胡浩.基于 Buck.Boost 變換器的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)電壓均衡優(yōu)化策略[J].電氣技術(shù)，2018，3.

[4]范輝，周晶晶，姚剛，湯天浩.動力鋰電池的混合均衡控制與能量管理[J].上海理工大學(xué)學(xué)報，2018，40（2）.

[5]沈艷.控制工程基礎(chǔ)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.