基于鋰電池SOC 的儲能電感主動均衡分層控制技術(shù)研究

司娟利，常紅梅

（陜西理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，陜西 漢中 723000）

0 引言

目前，鋰電池已廣泛應(yīng)用于新能源汽車領(lǐng)域。電池荷電狀態(tài)（SOC）的不一致對電池組的整體容量、充放電深度、安全性、使用壽命等有直接影響。在工程實踐中，分選法[1]不能完全解決電池不一致性問題，原因是電池在使用過程中反復(fù)充、放電，電池參數(shù)的差異逐漸累積，導(dǎo)致電池電量不均衡，可用容量下降、電池組整體性能衰退等問題[2]。

為了解決動力電池SOC 在實際應(yīng)用中的不一致問題，均衡技術(shù)應(yīng)運而生。常見的電池均衡技術(shù)有被動均衡和主動均衡兩種方式[3]。電阻式被動均衡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工程實踐中，其原理是電池在充電過程中某個單體SOC 高于其他單體時閉合旁路開關(guān)，將充電時多余的能量通過并聯(lián)電阻進(jìn)行消耗，當(dāng)與其它電池SOC 趨于一致時斷開開關(guān)，與其它電池SOC 保持一致。被動均衡的主要問題是消耗能量的同時產(chǎn)生溫升，給電池的溫度管理帶來挑戰(zhàn)[4]。主動均衡不同于被動均衡，其最大特點是通過電感、電容以及變壓器等儲能電器元件傳遞能量達(dá)到電池均衡的目的。主動均衡彌補了被動均衡的不足，是工程實踐中趨于主流的均衡方法，如Buck-Boost 轉(zhuǎn)換模型，Cuk 轉(zhuǎn)換模型，還有分散式直流DC-DC 變換器模型等都可實現(xiàn)能量雙向轉(zhuǎn)換，且損耗低，效率高[5-6]。陳正剛等[7]研究了分布式電感均衡，此均衡電路結(jié)構(gòu)簡單且優(yōu)于電容均衡電路。李小龍等[8]提出將Buck-Boost 變換器結(jié)合開關(guān)矩陣，通過對電感分時復(fù)用實現(xiàn)電池組的均衡，并實驗驗證了電池單體間的能量雙向傳輸。傳統(tǒng)的Buck-Boost 均衡電路只在相鄰兩個電池間進(jìn)行能量傳遞，當(dāng)串聯(lián)電池數(shù)量較多，首末電池能量傳遞路徑較長，均衡效率較低。

因此，為了解決首末電池能量傳遞路徑長及均衡效率低的問題，需將傳統(tǒng)的Buck-Boost 均衡電路進(jìn)行改進(jìn)縮短能量傳遞路徑。針對首末電池均衡效率問題對傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡電路進(jìn)行改進(jìn)，將改進(jìn)后的Buck-Boost 電路作為模組的底層，底層電池串聯(lián)采用“均值-差值”控制策略，頂層模組并聯(lián)采用開關(guān)陣列加外接電源控制策略，在MATLAB/Simulink 環(huán)境下搭建仿真模型，通過仿真實驗來研究電池單體之間和電池模組之間的充放電均衡效率。

1 底層單體電池間均衡

1.1 電路結(jié)構(gòu)圖

圖1 是以4 節(jié)電池為例的傳統(tǒng)分布式Buck-Boost 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)串聯(lián)電池數(shù)量增加時通過首尾級聯(lián)方式擴展，此結(jié)構(gòu)的特點是兩個電池共用一個電感，首末電池之間的能量傳遞需經(jīng)過借助其他電池或元器件，不能實現(xiàn)首末電池直接能量傳遞，降低了電池組整個系統(tǒng)的充、放電均衡效率。圖2 仍以4 節(jié)電池為例，在圖1 元器件數(shù)量不變的條件下改進(jìn)Buck-Boost 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)通過LR3實現(xiàn)首末電池之間的能量直接傳遞，縮短了首末電池能量傳遞路徑，此結(jié)構(gòu)也易通過首尾級聯(lián)方式擴展。當(dāng)電池單體以2n=（n= 1，2，3…）數(shù)量擴展時，原模組首尾各串聯(lián)相同數(shù)量的單體。每增加兩個單體電池需增加1個電感和2個MOS 管。電感的連接方式是一端與MOS 管相連，另一端與電池中心節(jié)點相連，兩個MOS管的連接方式是一端與首末電池相連，一端與電感相連，以此“環(huán)形”結(jié)構(gòu)擴展來滿足實際工程應(yīng)用需求。圖1、圖2 中M1、M2、M3、M4分別表示電池均衡控制MOS 管，B1、B2、B3、B4表示電池單體，LR1、LR2、LR3表示主動均衡的并聯(lián)元器件電感和電阻。

圖1 傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 改進(jìn)型Buck-Boost 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 改進(jìn)型Buck-Boost 均衡原理

此結(jié)構(gòu)均衡的總體原理是通過控制MOS 管的導(dǎo)通對電感充電和電感放電，將電能轉(zhuǎn)化為磁能，再將磁能轉(zhuǎn)換為電能實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換和傳遞，達(dá)到均衡的目的。均衡過程一般分為3個階段：

（1）電池給電感充電：導(dǎo)通MOS 管使得電感L、MOS 管和某一個單體電池構(gòu)成一個回路給電感充電，此時電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存在電感中[9]。

（2）電感放電給電池：導(dǎo)通另一個MOS 管使得電感L、另一個單體電池構(gòu)成回路將電感中的能量釋放出去，將磁能轉(zhuǎn)換為電能給另一個單體充電。

（3）電感消磁：當(dāng)充放電一個周期結(jié)束時，電感中有少量能量不能及時釋放。為了確保電流穩(wěn)定，通過L 和R 構(gòu)成諧振回路，將剩余的能量消耗。

假設(shè)B1> B2> B3> B4，以電池B1、B2為例，當(dāng)均衡開始時，首先導(dǎo)通MOS 管M1，由B1、M1、LR1構(gòu)成回路給電感充電，將電能轉(zhuǎn)換為磁能，關(guān)斷MOS 管M1，導(dǎo)通MOS 管M2，由LR1、B2、M2構(gòu)成另一回路，將磁能再轉(zhuǎn)換為電能完成電池B2的充電。電池B3、B4以及M3、M4、LR2組成的結(jié)構(gòu)電池均衡原理與此相似不再贅述。不同的是電池B4通過電感LR2放電、電池B3通過電感LR2充電。當(dāng)電路B1+ B2> B3+ B4時，導(dǎo)通MOS 管M5，此時B1、M5、LR3、B2構(gòu)成一個回路，給電感LR3充電，將電能轉(zhuǎn)換為磁能，關(guān)斷MOS 管M5，導(dǎo)通MOS 管M6，此時LR3、B3、B4、M6構(gòu)成另一個回路，將磁能再轉(zhuǎn)換為電能完成電池、充電。在每一周期充放電完成后，少量的能量通過L 和R 構(gòu)成諧振回路，將剩余的能量消耗。

在均衡過程中，如果電感過充使得電感磁飽和，導(dǎo)致電感電流過大；如果電感充放電時間過短，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)移過少影響電池的均衡效率。為了確保均衡過程中每一個工作周期不發(fā)生磁飽和現(xiàn)象需要對MOS管的開關(guān)周期、PWM 信號占空比及電感峰值電流參數(shù)進(jìn)行計算。 以電池B1、B2為例，給MOS 管M1一個脈沖信號導(dǎo)通M1時，充電電流IL1流過電感RL1，此時電流成指數(shù)性上升，此時電池B1開始給電感RL1充電儲能，則電流為：

式中，D為占空比，T為開關(guān)周期，L為電感值，VB1為電池B1電壓，t為開關(guān)導(dǎo)通時間。

充電電流在DT 時達(dá)到峰值Imax，而在此時，MOS管M1關(guān)斷，M2導(dǎo)通，電感中的能量通過M2開始放電，電流開始下降，最大電流及放電電流為：

則均衡電路中電感在一個充放電周期內(nèi)的充電和放電的平均值為：

式中，IavC為充電時的電流平均值，Iavd為放電時的電流平均值，Td為電感電流從峰值降至0 時所用的時間。

為確保均衡電路中電感能夠復(fù)位，需滿足Td+DT臆T，當(dāng)Td+DT越T時，電感電流處于臨界連續(xù)狀態(tài)，當(dāng)Td越DT>T時，電感電流處于連續(xù)狀態(tài)。

1.3 控制策略

選取電池SOC作為均衡控制變量，以電池SOC一致性作為均衡目標(biāo)。均衡電路工作模式采用斷續(xù)（DCM）模式。用著來表征電池的不一致性，著越大則說明電池內(nèi)部一致性越差，將其作為電池均衡開始的判斷條件，當(dāng)著逸滓時均衡開始（滓表示設(shè)定的觸發(fā)閾值），單體電池開始進(jìn)行兩兩比較，能量高的單體電池能量通過MOS 管的控制流向能量低的單體電池，當(dāng)兩個單體電池小于閾值著<滓時即時停止均衡?？刂撇呗酝ㄟ^主要三個參數(shù)來判斷：相鄰單體電池之間的SOC差值吟SOC，單體電池SOC值的平均值，以及電池SOC值的均方差著。若電池單體為n，則三參數(shù)的表達(dá)式為[10]：

改進(jìn)型結(jié)構(gòu)的非相鄰電池之間差值吟SOC表達(dá)式為：

1.4 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)1.2 電感均衡原理和1.3 電感均衡策略在MATLAB/Simulink 中搭建2 種均衡仿真模型。以4 節(jié)電池為例，電池參數(shù)B1、B2、B3、B4充電時的初始SOC值分別設(shè)為50%、40%、20%、30%，放電時分別設(shè)為90%、80%、70%、75%；電池電壓取3.6 V，電池容量取10 Ah；電感L均取1H，電阻值取10 k贅；MOS 管導(dǎo)通電阻R 取0.05 贅，二極管壓降取0.8 V；MOS 管觸發(fā)信號選擇Simulink 模塊自帶的Pulse 脈沖信號模塊，信號幅值為1，周期為10 s，占空比為40%；觸發(fā)條件；充放電電流采用5 A 恒流。

1.5 結(jié)果與分析

2 種Buck-Boost 充放電均衡模型仿真結(jié)果，如圖3 所示，橫坐標(biāo)是均衡仿真時間，縱坐標(biāo)是電池SOC。其中，（a）為傳統(tǒng)Buck-Boost 充電均衡仿真結(jié)果；（b）為改進(jìn)型Buck-Boost 充電均衡仿真結(jié)果；（c）為傳統(tǒng)Buck-Boost 放電均衡仿真結(jié)果；（d）為改進(jìn)型Buck-Boost 放電均衡仿真結(jié)果。

圖3 充放電仿真結(jié)果

由圖3（a）（b）可知，在元器件相同的條件下，相同的電池SOC初始值、相同的充電電流、相同的均衡控制策略，改進(jìn)型Buck-Boost 均衡在800 s 時4 節(jié)電池SOC已保持一致，傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡結(jié)構(gòu)4 節(jié)電池SOC超過了2400 s 時才到達(dá)一致狀態(tài)。因此，改進(jìn)型結(jié)構(gòu)均衡效率明顯高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)均衡效率的3 倍。

由圖3（c）（d）可知，在同等條件下，改進(jìn)型Buck-Boost 放電均衡效率是傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡結(jié)構(gòu)放電均衡效率的2 倍以上。因此，改進(jìn)型Buck-Boost 均衡結(jié)構(gòu)在充放電均衡過程中均衡效率優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)且同步性好。

2 頂層模組均衡

2.1 電路結(jié)構(gòu)圖

圖4 是外接電源式4 組模組并聯(lián)結(jié)構(gòu)圖，4 組模組通過MOS 管陣列進(jìn)行均衡控制。每個模組底層是改進(jìn)型Buck-Boost 均衡結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖4 改進(jìn)型Buck-Boost 模組均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 均衡原理和控制策略

頂層模組均衡原理是選擇汽車輔助供電系統(tǒng)24 V 電源提供外電源，增加DC-DC 模塊Boost 升壓型斬波電路[11]，通過MOS 管的選擇導(dǎo)通或關(guān)斷實現(xiàn)對電池模組的均衡。充電時給電池模組SOC值高的小電流充電，給電池模組SOC值低的大電流充電；放電時給電池模組SOC值高的大電流放電，給電池模組SOC值低的小電流放電?？刂撇呗圆捎肕OS 管陣列式，均衡電路工作模式采用斷續(xù)（DCM）模式，通過PWM 對MOS 管陣列開閉進(jìn)行充放電控制。假設(shè)模組（MOD）MOD1>MOD2>MOD3>MOD4。在 充 電 時，MOD4 的MOS 管M（7，1）、M（8，1）同時導(dǎo)通，PWM 為1，此時以最大電流給MOD4 充電，充電時間為DT。當(dāng)MOD4 的MOS 管M（7，1）、M（8，1）同時關(guān)閉，PWM 為0 時，此時均衡電路所有MOS 管都關(guān)閉。所有電池組都以均值電流充電，充電時間為T（1-D）。當(dāng)MOD4與MOD3 的SOC 一致時，導(dǎo)通M（5，1）、M（6，1）與M（7，1）、M（8，1）在PWM 控制下交替開閉進(jìn)行充電。同理，當(dāng)MOD4、MOD3、MOD2 相同時導(dǎo)通相應(yīng)的MOS管在PWM 控制下最終所有模組SOC 達(dá)到一致。放電反之，導(dǎo)通M（，2），不再贅述。

2.3 仿真模型及參數(shù)

圖5 是依據(jù)圖4 電路結(jié)構(gòu)在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建的外接電源式4 組模組并聯(lián)均衡仿真模型?？刂撇呗允峭ㄟ^PWM 控制MOS 管陣列實現(xiàn)充放電均衡，控制策略采用MATLAB function 來實現(xiàn)。4組模組的底層都是改進(jìn)型Buck-Boost 均衡仿真模型，底層的控制策略采用上文1.3 控制策略不變。為了簡化流程用恒流源代替汽車輔助電源24 VDC-DC模塊Boost 升壓型斬波電路。

圖5 改進(jìn)型Buck-Boost 模組均衡仿真模型

單體SOC初始值設(shè)置，模組1：B1、B2、B3、B4充放電SOC初始值分別設(shè)為85%、83%、79%、81%；模組2：B5、B6、B7、B8充放電SOC 初始值分別設(shè)為80%、78%、74%、76%；模組3：B9、B10、B11、B12充放電SOC初始值分別設(shè)為75%、73%、69%、71%；模組4：B13、B14、B15、B16充放電SOC初始值分別設(shè)為70%、68%、64%、66%。MOS 管觸發(fā)信號選擇Simulink 模塊自帶的Pulse 脈沖信號模塊，設(shè)置信號幅值為1，周期為10 s，占空比為30%，充放電恒流源均為15 A。

2.4 結(jié)果與分析

圖6（a）（b）（c）（d）是2 種Buck-Boost 結(jié)構(gòu)組成的4 模組16個單體仿真結(jié)果，頂層模組、控制策略、外接恒流源都相同。（a）（c）底層是傳統(tǒng)Buck-Boost結(jié)構(gòu)4 組模組16個單體充放電均衡結(jié)果。（b）（d）底層是改進(jìn)型Buck-Boost 結(jié)構(gòu)4 組模組16個單體充放電均衡結(jié)果。

圖6 模組充放電仿真結(jié)果

由圖6（a）（b）可知，模組在充電均衡時，改進(jìn)型Buck-Boost 均衡結(jié)構(gòu)模組中的單體電池在不到200s時每個模組內(nèi)部電池已均衡完畢，電池模組3 與電池模組4 的SOC也在400 s 時達(dá)到一致。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)底層單體之間以及電池模組3 與電池模組4 的均衡效率明顯低于改進(jìn)型結(jié)構(gòu)。由圖6（c）（d）可知，模組在放電均衡時，改進(jìn)型Buck-Boost 均衡結(jié)構(gòu)模組中的單體電池與充電時有相同均衡效率，電池模組1 與電池模組2 的SOC也在400 s 時達(dá)到一致。

3 結(jié)語

改進(jìn)型Buck-Boost 均衡結(jié)構(gòu)解決了串聯(lián)電路中首末電池能量傳遞路徑長及均衡效率低的問題，達(dá)到“高快放、低快充”的均衡目的，提升了均衡效率；同步性好，易以偶數(shù)級數(shù)量擴展，為純電動車電池在線主動均衡提供了新的均衡結(jié)構(gòu)，有助于提高純電動汽車動力電池在線主動均衡的效率。