基于單端反激電路雙層開(kāi)關(guān)臂雙向均衡拓?fù)?/h1>
2020-11-04 13:32:12程燕兵韓如成
太原科技大學(xué)學(xué)報(bào) 2020年6期
程燕兵，韓如成
(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)
隨著節(jié)能環(huán)保理念在各個(gè)國(guó)家大力提倡，燃油型汽車(chē)逐漸被淘汰，發(fā)展以清潔能源為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)成為各國(guó)新的研究方向。電動(dòng)汽車(chē)的性能好壞關(guān)鍵取決于電池的性能好壞，鋰電池由于其具有高電壓、高能量密度、高安全性、低自放電率等優(yōu)點(diǎn)，目前成為電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域使用最廣泛的動(dòng)力電池。為了達(dá)到電動(dòng)汽車(chē)輸出電壓的指標(biāo)要求，一般是將多個(gè)鋰電池單體串聯(lián)成包，多個(gè)包再串聯(lián)成組[1-5]。串聯(lián)電池組在多次循環(huán)充放電之后，即使是同廠家、同批次、同型號(hào)出產(chǎn)的單體電池，也會(huì)存在各單體之間的電量不一致的情況，隨著使用時(shí)間的積累就會(huì)產(chǎn)生“木桶效應(yīng)”，容易出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池爆炸[6-8]。當(dāng)電池組在充電時(shí)，電量最大的電池單體先充滿；當(dāng)電池組放電時(shí)，電量最小的電池單體先放完，所以串聯(lián)電池組中，組內(nèi)性能最差的單體電池決定了整個(gè)電池組的最大容量利用率，均衡技術(shù)就是為了攻克這一實(shí)際難題應(yīng)用而生的。這種現(xiàn)象使得電池組整體的放電性能、循環(huán)壽命和安全性劣于同等條件下的單體電池，所以必須采取有效措施來(lái)實(shí)現(xiàn)電池單體之間能量的轉(zhuǎn)移和均衡，提高電池組一致性，從而延長(zhǎng)串聯(lián)電池組的使用壽命[9-10]。
1 現(xiàn)有的均衡方法及其特點(diǎn)
參照國(guó)內(nèi)外對(duì)均衡拓?fù)涞难芯?，目前所用到的均衡方法大致可分為耗能型和非耗能型。耗能型均衡方法是在電池單體兩兩之間并聯(lián)一個(gè)耗能電阻，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)高單體能量電池給電阻輸出能量的方式來(lái)達(dá)到均衡的目的。耗能型均衡雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便實(shí)現(xiàn)，控制容易，但不經(jīng)濟(jì)，電阻消耗的能量容易引起設(shè)備過(guò)熱的問(wèn)題，效率不高；而非耗能型均衡方法是通過(guò)電感電容這些儲(chǔ)能元件來(lái)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，單體能量高的電池對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行放電；單體能量低的電池，儲(chǔ)能元件對(duì)其充電。此種均衡方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，均衡電流不易控制，但其均衡效率高，耗能少，速度相對(duì)較快。
對(duì)于非耗能型均衡方法，根據(jù)儲(chǔ)能元件類(lèi)型與個(gè)數(shù)，又可以分成電感型，電容型、LC諧振型以及變壓器組型等。電容型[11-13]是在電池單體之間并聯(lián)電容，利用相鄰電池單體之間電壓的差異來(lái)轉(zhuǎn)移能量，實(shí)現(xiàn)整體電池組的一致性，但電容型均衡方法是依靠相鄰電池單體之間微小的電壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的，如果電壓差達(dá)不到均衡閾值，將無(wú)法均衡，所以效率不高。電感型是通過(guò)電感電流的變化，來(lái)對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，在均衡過(guò)程中電流不易控制。LC諧振均衡即采用電感和電容構(gòu)成諧振電路，該方法轉(zhuǎn)換效率高，但均衡策略復(fù)雜，均衡效率低；變壓器組均衡一般是同軸多副邊耦合線圈，線圈匝數(shù)多，體積龐大，且不易做到電流連續(xù)可控。
基于上述均衡方法的特點(diǎn)，本文提出一種基于單端反激電路雙層開(kāi)關(guān)臂的雙向均衡方法，此方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流連續(xù)可控，均衡速度快，均衡效率高。
2 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理分析
2.1 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)是由串聯(lián)電池組、雙層選通開(kāi)關(guān)臂、均衡主電路和附加電池四部分組成。串聯(lián)電池組是以鋰離子電池為基礎(chǔ)，N個(gè)單體串聯(lián)起來(lái)用以模擬實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)的模型。附加電池是用以在串聯(lián)電池組充放電的時(shí)候，存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)移不一致電池單體的能量。雙層選通開(kāi)關(guān)臂是由上層均衡選通開(kāi)關(guān)臂和下層均衡選通開(kāi)關(guān)臂構(gòu)成，而上層均衡選通開(kāi)關(guān)臂和下層均衡選通開(kāi)關(guān)臂均為由n對(duì)反向串聯(lián)的功率MOSFET開(kāi)關(guān)組成的兩組功率開(kāi)關(guān)。均衡主電路是雙向改進(jìn)單端反激電路，由續(xù)流電感L1、L2、耦合反激電感L3、L4、濾波電容C1、C2、兩組主控開(kāi)關(guān)Si、Ni構(gòu)成。這種雙層均衡選通開(kāi)關(guān)的均衡電路一方面可以嚴(yán)格控制均衡電流的方向，防止能量的逆流，另一方面可以實(shí)現(xiàn)均衡電流的雙向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)放電均衡和充電均衡。
圖1 均衡拓?fù)潆娐稦ig.1 Balanced topology circuit
2.2 均衡原理分析
均衡電路中的耦合電感L3、L4構(gòu)成了基本的單端反激電路，通過(guò)控制PWM(pulse width modulation)可以實(shí)現(xiàn)能量在串聯(lián)電池組和附加電池之間的轉(zhuǎn)移，電容C1、C2為濾波電容，來(lái)得到平穩(wěn)的電池端電壓，續(xù)流電感L1、L2可以使電池在均衡過(guò)程中的輸出電流連續(xù)可控。在電池組充電時(shí)，雙層均衡開(kāi)關(guān)通過(guò)選通電池組中電壓或SOC(state of charge)最高的單體電池，通過(guò)均衡主電路給附加電池進(jìn)行放電；電池組放電時(shí)，雙層均衡開(kāi)關(guān)通過(guò)選通電池組中電壓或SOC最低的單體電池，附加電池通過(guò)均衡主電路給該電池單體進(jìn)行充電，從而提高整體電池組的充放電容量。
2.2.1 電池組充電時(shí)均衡電路的工作原理
當(dāng)電池組處于充電狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)電池組各單體電池電壓上升，當(dāng)其中電壓最高的單體電池的電壓達(dá)到一定值時(shí)，啟動(dòng)均衡電路，并對(duì)其進(jìn)行放電。充電時(shí)均衡拓?fù)潆娐啡鐖D2所示。
圖2 充電均衡電路Fig.2 Charging equalization circuit
主電路為典型的可以雙向傳輸能量的單端反激二極管，假設(shè)在充電過(guò)程中單體電池Bi的電壓最高并達(dá)到設(shè)定值，則導(dǎo)通相應(yīng)的上下層兩個(gè)開(kāi)關(guān)管cdi和fdi，此時(shí)已經(jīng)接通了電池組中電壓最高的單體電池Bi和均衡電路，等效為如圖3所示電路圖。
圖3 充電均衡等效電路Fig.3 Charge equalization equivalent circuit
導(dǎo)通主控開(kāi)關(guān)Si和Ni，主控開(kāi)關(guān)Si和Ni的觸發(fā)脈沖周期相同，極性相反，即Si為高電平時(shí)，Ni為低電平；Ni為高電平時(shí)，Si為低電平。
當(dāng)Si導(dǎo)通時(shí)，一次回路單體電池Bi開(kāi)始對(duì)電感L1和L3放電，二次回路續(xù)流電感L2繼續(xù)給附加電池Bw充電，保證電流的連續(xù)，此時(shí)Ni處于關(guān)斷狀態(tài)，副邊繞組L4無(wú)電流，通過(guò)一次回路的電流波形如及相應(yīng)開(kāi)關(guān)波形如圖4所示。
圖4 一次回路電流及相關(guān)波形Fig.4 Primary loop current and related waveforms
當(dāng)Si關(guān)斷時(shí)，此時(shí)Ni是處于導(dǎo)通狀態(tài)，耦合電感儲(chǔ)存的能量在二次回路經(jīng)過(guò)副邊繞組L4開(kāi)始對(duì)附加電池進(jìn)行放電，完成能量由充電電池組中電壓最高的單體電池向附加電池放電的均衡過(guò)程。
對(duì)于均衡電流的大小可以通過(guò)控制主控開(kāi)關(guān)Si的觸發(fā)脈沖PWM的占空比D來(lái)調(diào)節(jié)，圖4中一次回路均衡電流的最大值為i1max，最小值為i1min，可得出：
(1)
式中：Vi為被選通的最大電壓?jiǎn)误w電池的工作電壓；D1為主控開(kāi)關(guān)Si的占空比；Ts為主控開(kāi)關(guān)Si的周期。
2.2.2 電池組放電時(shí)均衡電路的工作原理
由于本文設(shè)計(jì)的均衡電路的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，既可以實(shí)現(xiàn)充電均衡，又可以實(shí)現(xiàn)放電均衡。當(dāng)N個(gè)鋰電池單體構(gòu)成的串聯(lián)電池組處于放電狀態(tài)或靜置狀態(tài)時(shí)，各單體電壓下降，通過(guò)給電壓下降最快的單體充電，達(dá)到各單體電池間的快速均衡。電池組放電時(shí)均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 放電均衡電路Fig.5 Discharging equalization circuit
假設(shè)Bj是電池組放電時(shí)電壓最低的電池單體，當(dāng)電壓降低到一定設(shè)定值時(shí)，雙層開(kāi)關(guān)臂fdj導(dǎo)通，此時(shí)已經(jīng)接通了電壓最低的單體電池Bj和均衡電路，其等效電路圖如圖6所示。
圖6 放電均衡等效電路Fig.6 Discharge equalization equivalent circuit
通過(guò)控制主控開(kāi)關(guān)Ni和Si的PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)電能由附加電池向電池組電壓最低的單體電池Bj的充電均衡過(guò)程。
當(dāng)Ni導(dǎo)通時(shí)，二次回路附加電池Bw對(duì)電感L2和L4充電，一次回路續(xù)流電感L1持續(xù)給單體電池Bj充電，保證電流的連續(xù)，此時(shí)Si處于關(guān)斷狀態(tài)，原邊繞組L3無(wú)電流，通過(guò)二次回路的電流波形如及相應(yīng)開(kāi)關(guān)波形如圖7所示。
圖7 二次回路電流及相關(guān)波形Fig.7 Secondary loop current and related waveforms
當(dāng)Ni關(guān)斷時(shí)，Si導(dǎo)通，儲(chǔ)存在副邊電感L4中的能量通過(guò)耦合由原邊電感L3經(jīng)一次回路釋放，給Bj充電。二次回路均衡電流的最大值為i2max，最小值為i2min，可以得到：
(2)
式中：Vw為附加電池Bw的工作電壓；D2為主控開(kāi)關(guān)Ni的占空比；Ts為主控開(kāi)關(guān)Ni的周期。
3 動(dòng)態(tài)均衡策略
在電池組充電時(shí)，通過(guò)電壓采集電路實(shí)時(shí)采集電池組中各單體電壓，找到電壓最高的單體電池，滿足均衡條件開(kāi)啟均衡，不滿足則繼續(xù)充電。在電池組在放電時(shí)，找到電壓最低的單體電池，滿足均衡條件開(kāi)啟均衡，不滿足則繼續(xù)放電。均衡算法流程圖如圖8所示，該方法要求設(shè)定電壓上下限值，均衡次數(shù)為6次。
圖8 均衡算法流程圖Fig.8 Equalization algorithm flow chart
4 均衡仿真實(shí)驗(yàn)
本文選擇6節(jié)額定電壓為3.2 V，額定容量為20 Ah單體鋰電池的串聯(lián)作為串聯(lián)電池組模型，初始SOC值分別為91%、88.6%、88.5%、88%、87%、86.7%；附加電池選取額定電壓3.2 V、額定容量40 Ah的同型鋰電池模型代替；開(kāi)關(guān)器件為內(nèi)阻為50 mΩ、反并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降為0.05 V的MOSFET功率開(kāi)關(guān)；電感L1=L2=L3=L4=10 μH；電容C1=C2=100 μF.
4.1 電池組均衡充電MATLAB仿真
對(duì)6節(jié)初始SOC分別為為91%、88.6%、88.5%、88%、87%、86.7%的串聯(lián)鋰電池組BT1-BT6進(jìn)行10 A的恒定電流充電均衡實(shí)驗(yàn)，均衡對(duì)象選取工作電壓，當(dāng)工作電壓到達(dá)3.7 V時(shí)充電截止并進(jìn)行6次均衡。均衡過(guò)程中對(duì)電池BT1進(jìn)行放電，控制上下層開(kāi)關(guān)臂cd1一直導(dǎo)通，主控開(kāi)關(guān)Si的開(kāi)關(guān)頻率為12.5 kHz，占空比為50%，建立仿真模型如圖9和圖10所示。
圖9 充電均衡simulink仿真電路模型Fig.9 Charging balanced simulink simulation circuit model
圖10 均衡控制策略模型Fig.10 Equilibrium control strategy model
仿真模型中實(shí)時(shí)采集電池的電壓，并通過(guò)S-function函數(shù)分析判斷，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)臂相應(yīng)的MOSFET開(kāi)關(guān)管進(jìn)行均衡，均衡結(jié)果如圖11和圖12所示，其中圖11是電池組充電均衡過(guò)程中工作電壓的仿真結(jié)果，圖12是電池組充電均衡過(guò)程中SOC的仿真結(jié)果。
圖11 充電均衡工作電壓曲線Fig.11 Charging balanced working voltage curve
圖12 充電均衡SOC變化曲線Fig.12 Charge balanced SOC curve
從圖11可以看出在6節(jié)單體鋰電池充電過(guò)程中共進(jìn)行了6次均衡，歷時(shí)2 500 s，未均衡前電壓最大極差為180 mV，均衡后電壓最大極差為80 mV.圖12中未均衡前SOC最大極差為4.3%，均衡后SOC最大極差為0.8%.
4.2 電池組均衡放電MATLAB仿真
設(shè)置初始SOC分別為20.5%、20.3%、20.2%、19.8%、19.5%、18%的串聯(lián)鋰電池組BT1-BT6，對(duì)其進(jìn)行10 A的恒定電流放電電均衡實(shí)驗(yàn)，當(dāng)工作電壓到達(dá)2.7 V時(shí)充電截止并進(jìn)行6次均衡。均衡過(guò)程中對(duì)電池BT6進(jìn)行充電，控制上下層開(kāi)關(guān)臂fd6一直導(dǎo)通，主控開(kāi)關(guān)Ni的開(kāi)關(guān)頻率為12.5 kHz，占空比為50%.圖13是放電均衡過(guò)程中各單體電池工作電壓的變化曲線，圖14為放電均衡過(guò)程中各單體SOC的變化曲線。
圖13 放電均衡工作電壓變化曲線Fig.13 Charging balanced working voltage curve
圖14 放電均衡SOC變化曲線Fig.14 Discharge balanced SOC curve
由以上圖可以看出，電池組各單體電池未均衡前工作電壓的最大極差為270 mV，均衡后工作電壓最大極差為80 mV；未均衡前SOC最大極差為2.5%，均衡后SOC最大極差為0.5%.
5 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)串聯(lián)電池組在多次充放電后存在的電量不一致的問(wèn)題，提出了一種基于單端反激電路雙層開(kāi)關(guān)臂的雙向均衡電路以及均衡方法，并對(duì)該均衡方法的均衡拓?fù)?、均衡策略、均衡過(guò)程進(jìn)行了分析，搭建了相應(yīng)的MATLAB仿真模型，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了均衡前后的比較。結(jié)果表明該均衡方案在串聯(lián)電池組充電時(shí)，能夠快速有效的將電壓最高的電池單體中的能量通過(guò)均衡電路轉(zhuǎn)移到附加電池中；在電池組放電時(shí)，能夠有效的將附加電池中的能量通過(guò)均衡電路轉(zhuǎn)移到電池組單體電池中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的充放電均衡。
程燕兵，韓如成
(太原科技大學(xué)電子信息工程學(xué)院，太原 030024)
隨著節(jié)能環(huán)保理念在各個(gè)國(guó)家大力提倡，燃油型汽車(chē)逐漸被淘汰，發(fā)展以清潔能源為動(dòng)力的電動(dòng)汽車(chē)成為各國(guó)新的研究方向。電動(dòng)汽車(chē)的性能好壞關(guān)鍵取決于電池的性能好壞，鋰電池由于其具有高電壓、高能量密度、高安全性、低自放電率等優(yōu)點(diǎn)，目前成為電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域使用最廣泛的動(dòng)力電池。為了達(dá)到電動(dòng)汽車(chē)輸出電壓的指標(biāo)要求，一般是將多個(gè)鋰電池單體串聯(lián)成包，多個(gè)包再串聯(lián)成組[1-5]。串聯(lián)電池組在多次循環(huán)充放電之后，即使是同廠家、同批次、同型號(hào)出產(chǎn)的單體電池，也會(huì)存在各單體之間的電量不一致的情況，隨著使用時(shí)間的積累就會(huì)產(chǎn)生“木桶效應(yīng)”，容易出現(xiàn)過(guò)充電、過(guò)放電現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池爆炸[6-8]。當(dāng)電池組在充電時(shí)，電量最大的電池單體先充滿；當(dāng)電池組放電時(shí)，電量最小的電池單體先放完，所以串聯(lián)電池組中，組內(nèi)性能最差的單體電池決定了整個(gè)電池組的最大容量利用率，均衡技術(shù)就是為了攻克這一實(shí)際難題應(yīng)用而生的。這種現(xiàn)象使得電池組整體的放電性能、循環(huán)壽命和安全性劣于同等條件下的單體電池，所以必須采取有效措施來(lái)實(shí)現(xiàn)電池單體之間能量的轉(zhuǎn)移和均衡，提高電池組一致性，從而延長(zhǎng)串聯(lián)電池組的使用壽命[9-10]。
1 現(xiàn)有的均衡方法及其特點(diǎn)
參照國(guó)內(nèi)外對(duì)均衡拓?fù)涞难芯?，目前所用到的均衡方法大致可分為耗能型和非耗能型。耗能型均衡方法是在電池單體兩兩之間并聯(lián)一個(gè)耗能電阻，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)高單體能量電池給電阻輸出能量的方式來(lái)達(dá)到均衡的目的。耗能型均衡雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，方便實(shí)現(xiàn)，控制容易，但不經(jīng)濟(jì)，電阻消耗的能量容易引起設(shè)備過(guò)熱的問(wèn)題，效率不高；而非耗能型均衡方法是通過(guò)電感電容這些儲(chǔ)能元件來(lái)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，單體能量高的電池對(duì)儲(chǔ)能元件進(jìn)行放電；單體能量低的電池，儲(chǔ)能元件對(duì)其充電。此種均衡方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，均衡電流不易控制，但其均衡效率高，耗能少，速度相對(duì)較快。
對(duì)于非耗能型均衡方法，根據(jù)儲(chǔ)能元件類(lèi)型與個(gè)數(shù)，又可以分成電感型，電容型、LC諧振型以及變壓器組型等。電容型[11-13]是在電池單體之間并聯(lián)電容，利用相鄰電池單體之間電壓的差異來(lái)轉(zhuǎn)移能量，實(shí)現(xiàn)整體電池組的一致性，但電容型均衡方法是依靠相鄰電池單體之間微小的電壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移的，如果電壓差達(dá)不到均衡閾值，將無(wú)法均衡，所以效率不高。電感型是通過(guò)電感電流的變化，來(lái)對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移，在均衡過(guò)程中電流不易控制。LC諧振均衡即采用電感和電容構(gòu)成諧振電路，該方法轉(zhuǎn)換效率高，但均衡策略復(fù)雜，均衡效率低；變壓器組均衡一般是同軸多副邊耦合線圈，線圈匝數(shù)多，體積龐大，且不易做到電流連續(xù)可控。
基于上述均衡方法的特點(diǎn)，本文提出一種基于單端反激電路雙層開(kāi)關(guān)臂的雙向均衡方法，此方法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電流連續(xù)可控，均衡速度快，均衡效率高。
2 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及原理分析
2.1 均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，該結(jié)構(gòu)是由串聯(lián)電池組、雙層選通開(kāi)關(guān)臂、均衡主電路和附加電池四部分組成。串聯(lián)電池組是以鋰離子電池為基礎(chǔ)，N個(gè)單體串聯(lián)起來(lái)用以模擬實(shí)際電動(dòng)汽車(chē)的模型。附加電池是用以在串聯(lián)電池組充放電的時(shí)候，存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)移不一致電池單體的能量。雙層選通開(kāi)關(guān)臂是由上層均衡選通開(kāi)關(guān)臂和下層均衡選通開(kāi)關(guān)臂構(gòu)成，而上層均衡選通開(kāi)關(guān)臂和下層均衡選通開(kāi)關(guān)臂均為由n對(duì)反向串聯(lián)的功率MOSFET開(kāi)關(guān)組成的兩組功率開(kāi)關(guān)。均衡主電路是雙向改進(jìn)單端反激電路，由續(xù)流電感L1、L2、耦合反激電感L3、L4、濾波電容C1、C2、兩組主控開(kāi)關(guān)Si、Ni構(gòu)成。這種雙層均衡選通開(kāi)關(guān)的均衡電路一方面可以嚴(yán)格控制均衡電流的方向，防止能量的逆流，另一方面可以實(shí)現(xiàn)均衡電流的雙向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)放電均衡和充電均衡。
圖1 均衡拓?fù)潆娐稦ig.1 Balanced topology circuit
2.2 均衡原理分析
均衡電路中的耦合電感L3、L4構(gòu)成了基本的單端反激電路，通過(guò)控制PWM(pulse width modulation)可以實(shí)現(xiàn)能量在串聯(lián)電池組和附加電池之間的轉(zhuǎn)移，電容C1、C2為濾波電容，來(lái)得到平穩(wěn)的電池端電壓，續(xù)流電感L1、L2可以使電池在均衡過(guò)程中的輸出電流連續(xù)可控。在電池組充電時(shí)，雙層均衡開(kāi)關(guān)通過(guò)選通電池組中電壓或SOC(state of charge)最高的單體電池，通過(guò)均衡主電路給附加電池進(jìn)行放電；電池組放電時(shí)，雙層均衡開(kāi)關(guān)通過(guò)選通電池組中電壓或SOC最低的單體電池，附加電池通過(guò)均衡主電路給該電池單體進(jìn)行充電，從而提高整體電池組的充放電容量。
2.2.1 電池組充電時(shí)均衡電路的工作原理
當(dāng)電池組處于充電狀態(tài)時(shí)，串聯(lián)電池組各單體電池電壓上升，當(dāng)其中電壓最高的單體電池的電壓達(dá)到一定值時(shí)，啟動(dòng)均衡電路，并對(duì)其進(jìn)行放電。充電時(shí)均衡拓?fù)潆娐啡鐖D2所示。
圖2 充電均衡電路Fig.2 Charging equalization circuit
主電路為典型的可以雙向傳輸能量的單端反激二極管，假設(shè)在充電過(guò)程中單體電池Bi的電壓最高并達(dá)到設(shè)定值，則導(dǎo)通相應(yīng)的上下層兩個(gè)開(kāi)關(guān)管cdi和fdi，此時(shí)已經(jīng)接通了電池組中電壓最高的單體電池Bi和均衡電路，等效為如圖3所示電路圖。
圖3 充電均衡等效電路Fig.3 Charge equalization equivalent circuit
導(dǎo)通主控開(kāi)關(guān)Si和Ni，主控開(kāi)關(guān)Si和Ni的觸發(fā)脈沖周期相同，極性相反，即Si為高電平時(shí)，Ni為低電平；Ni為高電平時(shí)，Si為低電平。
當(dāng)Si導(dǎo)通時(shí)，一次回路單體電池Bi開(kāi)始對(duì)電感L1和L3放電，二次回路續(xù)流電感L2繼續(xù)給附加電池Bw充電，保證電流的連續(xù)，此時(shí)Ni處于關(guān)斷狀態(tài)，副邊繞組L4無(wú)電流，通過(guò)一次回路的電流波形如及相應(yīng)開(kāi)關(guān)波形如圖4所示。
圖4 一次回路電流及相關(guān)波形Fig.4 Primary loop current and related waveforms
當(dāng)Si關(guān)斷時(shí)，此時(shí)Ni是處于導(dǎo)通狀態(tài)，耦合電感儲(chǔ)存的能量在二次回路經(jīng)過(guò)副邊繞組L4開(kāi)始對(duì)附加電池進(jìn)行放電，完成能量由充電電池組中電壓最高的單體電池向附加電池放電的均衡過(guò)程。
對(duì)于均衡電流的大小可以通過(guò)控制主控開(kāi)關(guān)Si的觸發(fā)脈沖PWM的占空比D來(lái)調(diào)節(jié)，圖4中一次回路均衡電流的最大值為i1max，最小值為i1min，可得出：
(1)
式中：Vi為被選通的最大電壓?jiǎn)误w電池的工作電壓；D1為主控開(kāi)關(guān)Si的占空比；Ts為主控開(kāi)關(guān)Si的周期。
2.2.2 電池組放電時(shí)均衡電路的工作原理
由于本文設(shè)計(jì)的均衡電路的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，既可以實(shí)現(xiàn)充電均衡，又可以實(shí)現(xiàn)放電均衡。當(dāng)N個(gè)鋰電池單體構(gòu)成的串聯(lián)電池組處于放電狀態(tài)或靜置狀態(tài)時(shí)，各單體電壓下降，通過(guò)給電壓下降最快的單體充電，達(dá)到各單體電池間的快速均衡。電池組放電時(shí)均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5 放電均衡電路Fig.5 Discharging equalization circuit
假設(shè)Bj是電池組放電時(shí)電壓最低的電池單體，當(dāng)電壓降低到一定設(shè)定值時(shí)，雙層開(kāi)關(guān)臂fdj導(dǎo)通，此時(shí)已經(jīng)接通了電壓最低的單體電池Bj和均衡電路，其等效電路圖如圖6所示。
圖6 放電均衡等效電路Fig.6 Discharge equalization equivalent circuit
通過(guò)控制主控開(kāi)關(guān)Ni和Si的PWM脈沖，實(shí)現(xiàn)電能由附加電池向電池組電壓最低的單體電池Bj的充電均衡過(guò)程。
當(dāng)Ni導(dǎo)通時(shí)，二次回路附加電池Bw對(duì)電感L2和L4充電，一次回路續(xù)流電感L1持續(xù)給單體電池Bj充電，保證電流的連續(xù)，此時(shí)Si處于關(guān)斷狀態(tài)，原邊繞組L3無(wú)電流，通過(guò)二次回路的電流波形如及相應(yīng)開(kāi)關(guān)波形如圖7所示。
圖7 二次回路電流及相關(guān)波形Fig.7 Secondary loop current and related waveforms
當(dāng)Ni關(guān)斷時(shí)，Si導(dǎo)通，儲(chǔ)存在副邊電感L4中的能量通過(guò)耦合由原邊電感L3經(jīng)一次回路釋放，給Bj充電。二次回路均衡電流的最大值為i2max，最小值為i2min，可以得到：
(2)
式中：Vw為附加電池Bw的工作電壓；D2為主控開(kāi)關(guān)Ni的占空比；Ts為主控開(kāi)關(guān)Ni的周期。
3 動(dòng)態(tài)均衡策略
在電池組充電時(shí)，通過(guò)電壓采集電路實(shí)時(shí)采集電池組中各單體電壓，找到電壓最高的單體電池，滿足均衡條件開(kāi)啟均衡，不滿足則繼續(xù)充電。在電池組在放電時(shí)，找到電壓最低的單體電池，滿足均衡條件開(kāi)啟均衡，不滿足則繼續(xù)放電。均衡算法流程圖如圖8所示，該方法要求設(shè)定電壓上下限值，均衡次數(shù)為6次。
圖8 均衡算法流程圖Fig.8 Equalization algorithm flow chart
4 均衡仿真實(shí)驗(yàn)
本文選擇6節(jié)額定電壓為3.2 V，額定容量為20 Ah單體鋰電池的串聯(lián)作為串聯(lián)電池組模型，初始SOC值分別為91%、88.6%、88.5%、88%、87%、86.7%；附加電池選取額定電壓3.2 V、額定容量40 Ah的同型鋰電池模型代替；開(kāi)關(guān)器件為內(nèi)阻為50 mΩ、反并聯(lián)二極管導(dǎo)通壓降為0.05 V的MOSFET功率開(kāi)關(guān)；電感L1=L2=L3=L4=10 μH；電容C1=C2=100 μF.
4.1 電池組均衡充電MATLAB仿真
對(duì)6節(jié)初始SOC分別為為91%、88.6%、88.5%、88%、87%、86.7%的串聯(lián)鋰電池組BT1-BT6進(jìn)行10 A的恒定電流充電均衡實(shí)驗(yàn)，均衡對(duì)象選取工作電壓，當(dāng)工作電壓到達(dá)3.7 V時(shí)充電截止并進(jìn)行6次均衡。均衡過(guò)程中對(duì)電池BT1進(jìn)行放電，控制上下層開(kāi)關(guān)臂cd1一直導(dǎo)通，主控開(kāi)關(guān)Si的開(kāi)關(guān)頻率為12.5 kHz，占空比為50%，建立仿真模型如圖9和圖10所示。
圖9 充電均衡simulink仿真電路模型Fig.9 Charging balanced simulink simulation circuit model
圖10 均衡控制策略模型Fig.10 Equilibrium control strategy model
仿真模型中實(shí)時(shí)采集電池的電壓，并通過(guò)S-function函數(shù)分析判斷，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)臂相應(yīng)的MOSFET開(kāi)關(guān)管進(jìn)行均衡，均衡結(jié)果如圖11和圖12所示，其中圖11是電池組充電均衡過(guò)程中工作電壓的仿真結(jié)果，圖12是電池組充電均衡過(guò)程中SOC的仿真結(jié)果。
圖11 充電均衡工作電壓曲線Fig.11 Charging balanced working voltage curve
圖12 充電均衡SOC變化曲線Fig.12 Charge balanced SOC curve
從圖11可以看出在6節(jié)單體鋰電池充電過(guò)程中共進(jìn)行了6次均衡，歷時(shí)2 500 s，未均衡前電壓最大極差為180 mV，均衡后電壓最大極差為80 mV.圖12中未均衡前SOC最大極差為4.3%，均衡后SOC最大極差為0.8%.
4.2 電池組均衡放電MATLAB仿真
設(shè)置初始SOC分別為20.5%、20.3%、20.2%、19.8%、19.5%、18%的串聯(lián)鋰電池組BT1-BT6，對(duì)其進(jìn)行10 A的恒定電流放電電均衡實(shí)驗(yàn)，當(dāng)工作電壓到達(dá)2.7 V時(shí)充電截止并進(jìn)行6次均衡。均衡過(guò)程中對(duì)電池BT6進(jìn)行充電，控制上下層開(kāi)關(guān)臂fd6一直導(dǎo)通，主控開(kāi)關(guān)Ni的開(kāi)關(guān)頻率為12.5 kHz，占空比為50%.圖13是放電均衡過(guò)程中各單體電池工作電壓的變化曲線，圖14為放電均衡過(guò)程中各單體SOC的變化曲線。
圖13 放電均衡工作電壓變化曲線Fig.13 Charging balanced working voltage curve
圖14 放電均衡SOC變化曲線Fig.14 Discharge balanced SOC curve
由以上圖可以看出，電池組各單體電池未均衡前工作電壓的最大極差為270 mV，均衡后工作電壓最大極差為80 mV；未均衡前SOC最大極差為2.5%，均衡后SOC最大極差為0.5%.
5 結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)串聯(lián)電池組在多次充放電后存在的電量不一致的問(wèn)題，提出了一種基于單端反激電路雙層開(kāi)關(guān)臂的雙向均衡電路以及均衡方法，并對(duì)該均衡方法的均衡拓?fù)?、均衡策略、均衡過(guò)程進(jìn)行了分析，搭建了相應(yīng)的MATLAB仿真模型，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了均衡前后的比較。結(jié)果表明該均衡方案在串聯(lián)電池組充電時(shí)，能夠快速有效的將電壓最高的電池單體中的能量通過(guò)均衡電路轉(zhuǎn)移到附加電池中；在電池組放電時(shí)，能夠有效的將附加電池中的能量通過(guò)均衡電路轉(zhuǎn)移到電池組單體電池中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的充放電均衡。
