基于SOC多模塊變壓器電池組主動均衡技術研究

司娟利，常紅梅

基于SOC多模塊變壓器電池組主動均衡技術研究

司娟利，常紅梅*

（陜西理工大學 機械工程學院，陜西 漢中 723000）

針對純電動汽車動力電池單體間以及電池模組間的均衡速率和均衡效率問題，設計電池單體串聯(lián)和電池模組串聯(lián)電路來研究電池單體間和電池模組間充放電時的均衡速率和均衡效率，電池單體間采用電感式和多模塊變壓器式的主動均衡方式，電池模組間采用多模塊變壓器主動均衡方式。在MATLAB/Simulink軟件環(huán)境下分別搭建相應的仿真模型，以電池荷電狀態(tài)（SOC）為均衡控制變量，采用“均值-差值”控制策略進行仿真實驗。仿真結果表明，串聯(lián)電池單體采用多模塊變壓器均衡時間是電感式均衡時間的3倍；電池組間均衡時底層單體電池SOC通過電感式均衡快速保持一致，頂層電池模組通過變壓器同時充放電，使得電池組SOC保持一致。將單體均衡采用電感式，模組采用多模塊變壓器式均衡應用于車載多電池箱均衡中有助于提升均衡速率和均衡效率。

電池SOC；多模塊變壓器；主動均衡；電池模組；MATLAB/Simulink

為了滿足純電動汽車所需要的電壓、容量和功率，動力電池組通常是由單體電池串并聯(lián)構成[1-2]。動力電池組在實際生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)工藝問題各單體電池性能不可能完全一致。在實際應用過程中，隨著電池組工作環(huán)境、充放電循環(huán)次數(shù)等條件的變化，單體電池容量、自放電率、內(nèi)阻等隨之發(fā)生變化，單體電池性能衰減影響整個電池組的使用壽命和工作效率。為了延長電池的使用壽命和電池容量的最大化利用，最為有效的途徑是在電池組充放電時對單體電池和電池組進行均衡管理[3]。

均衡按照能量的消耗和轉移可分為被動均衡和主動均衡。被動均衡屬于能量消耗式均衡，其最有代表性的是電阻式被動均衡，原理為給單體電池并聯(lián)一個電阻，當電池在充電時，多余的能量通過并聯(lián)電阻進行消耗。被動均衡在能量消耗的過程中容易產(chǎn)生熱量，給電池的溫度管理帶來挑戰(zhàn)[4]。主動均衡是能量轉移式均衡，通過儲能元件把電量從能量高的電池轉移到能量低的電池[5]。電池主動均衡技術中儲能元件是將電能轉換為其他類型的能量進行儲存，再通過信號控制將其他類型的能量轉換為電能，此時高能量電池的能量通過儲能元件傳遞給低能量電池達到了能量傳遞的目的。主動均衡按儲能元件分為電容式、電感式、變壓器式等[6]。飛度電容式均衡電路[7]拓展性強，但只能將電壓作為均衡目標，由于充放電時電容和電池間存在著壓差，壓差過小會導致均衡時間增加，甚至存在著電流不可控、可靠性降低等缺點。電感式均衡有擴展性好、成本低、均衡電流可控等優(yōu)點。變壓器式均衡電路[8]的特點是均衡電流較大，均衡效率高、均衡速度快等優(yōu)點，但如果給每個單體配備一個變壓器會導致均衡電路體積過于龐大，不利于實際應用，并且配備變壓器越多漏感現(xiàn)象就越嚴重。

綜合上述電感式均衡和變壓器式均衡的優(yōu)缺點，結合工程實際應用中大量單體采用串聯(lián)來滿足純電動汽車電壓要求，將兩種主動均衡方式相結合是很有必要的，因此，本文重點研究串聯(lián)電路中單體間采用電感式均衡，模組間采用變壓器式均衡，通過兩種均衡方式的結合來實現(xiàn)單體之間，模組之間的能量傳遞。選擇電池荷電狀態(tài)（State Of Charge, SOC）作為均衡目標，采用鋰電池SOC的“均值-差值”控制策略，在MATLAB/ Simulink環(huán)境下搭建仿真模型進行實驗；研究串聯(lián)電路單體之間采用電感式主動均衡和電池模組之間采用變壓器式主動均衡的均衡時間和均衡效率。

1 均衡原理及控制策略

1.1 均衡原理

以儲能元件為傳遞能量的均衡方式其原理基本相似，電容均衡原理[9]是利用電容作為儲能元件，通過開關切換使得能量較高的單體電池轉移到能量較低的單體電池。電感均衡[10]原理與電容式均衡近似，當相鄰單體SOC不一致時，控制信號驅動能量較高的單體電池側金屬-氧化物-半導體（Metal Oxide Semiconductor, MOS）場效應晶體管導通，此時能量較高的單體給電感充電，然后關閉本側MOS管導通另一側MOS管，此時電感給單體電壓較低的電池充電，最后通過LR回路進行消磁，通過控制信號反復導通和關斷MOS管使得能量持續(xù)轉移，最終達到電池SOC保持一致的目標?；谧儔浩餍偷木怆娐穂11]也可稱為基于隔離型直流-直流（Direct Current-Direct Current, DC-DC）變換器的均衡電路，該類拓撲把變壓器作為能量轉移載體引入均衡電路，也是利用能量在電能與磁能之間相互轉換。多模塊變壓器電池組均衡電路中每一組模組與一個變壓器的次級相連，變壓器的原級與整體電池組相連，通過信號驅動MOS管的導通和關閉使得各電池模組通過儲能元件變壓器與整體電池模組之間進行能量傳遞，此均衡過程中，多個變壓器可以同時工作，提高了均衡效率。

1.2 控制策略

Δ=|SOC-SOC+1| （1）

2 仿真與分析

2.1 拓撲結構圖

圖1為以4節(jié)電池為例的經(jīng)典四電池單體串聯(lián)電路均衡拓撲圖，其中M1、M2、M3、M4、M5、M6分別表示電池均衡控制MOS管，B1、B2、B3、B4表示單體電池，LR1、LR2、LR3表示主動均衡的儲能元件即儲能電感，圖2為以16節(jié)單體電池為例的4個模組串聯(lián)電路主動均衡電路拓撲圖，B1、B2、B3、B4表示為電池模組1，B5、B6、B7、B8表示為電池模組2，B9、B10、B11、B12表示為電池模組3，B13、B14、B15、B16表示為電池模組4，T1、T2、T3、T4分別表示為模組主動均衡的變壓器，M(1,1)、M(1,2)、M(2,1)、M(2,2)、M(3,1)、M(3,2)、M(4,1)、M(4,2)分別表示電池組主動均衡控制MOS管，變壓器的原級與整體串聯(lián)電池組連接，變壓器的次級分別與各電池模組連接。4節(jié)單體電池串聯(lián)多模塊變壓器均衡拓撲結構是將圖2中4個電池模組更換為4個單體電池，變壓器的原級與單體電池相連，變壓器的次級分別與電池組相連，均衡拓撲結構與圖2類似，不再贅述。

圖1 經(jīng)典四電池單體串聯(lián)均衡結構圖

圖2 多模塊變壓器模組間均衡結構圖

2.2 仿真模型及參數(shù)設置

根據(jù)均衡原理、均衡策略及均衡拓撲結構在MATLAB/Simulink中分別搭建了4個單體電池串聯(lián)的儲能電感均衡和多模塊變壓器均衡的仿真模型；搭建了以圖1單體間電感均衡結構為模組的底層，以多模塊變壓器均衡結構為模組頂層的4組電池模組串聯(lián)總計16個單體電池的多模塊變壓器主動均衡仿真模型。

電池單體串聯(lián)均衡電路中的參數(shù)設置：電池單體B1、B2、B3、B4充放電時分別設為85%、80%、75%、70%；電池電壓取7.2 V，電池容量取10 Ah；電感均取1 H，電阻值取10 kΩ；MOS管導通電阻取0.05 Ω，二極管壓降取0.8 V；變壓器功率取500 W；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50%；觸發(fā)條件=0.001；充放電電流采用3 A的恒定電流。

電池模組串聯(lián)均衡電路中的參數(shù)設置：模組1：B1、B2、B3、B4充放電初始值分別設為85%、83%、79%、81%；模組2：B5、B6、B7、B8充放電初始值分別設為80%、78%、74%、76%；模組3：B9、B10、B11、B12充放電 SOC初始值分別設為75%、73%、69%、71%；模組4：B13、B14、B15、B16充放電初始值分別設為70%、68%、64%、66%。單體電池電壓取3.6 V，容量取10 Ah，變壓器功率取20×103W。MOS管導通電阻取0.05 Ω，觸發(fā)信號選擇Simulink模塊自帶的Pulse脈沖信號模塊，設置信號幅值為1，周期為10 s，占空比為50%，均衡觸發(fā)條件= 0.001；充放電電流仍采用3 A恒定電流。

2.3 仿真結果與分析

圖3、圖4為經(jīng)典4單體間電感均衡充放電仿真結果圖，圖5、圖6為單體間多模塊變壓器均衡充放電仿真結果圖，圖7、圖8為電池組間多模塊變壓器均衡充放電仿真結果圖。橫坐標是均衡仿真時間，縱坐標是電池值。

由單體間均衡仿真結果可知，在均衡時間方面，圖3、圖4電感式均衡在530 s時已趨于保持一致，圖5、圖6多模塊變壓器均衡在1 685 s時趨于保持一致，多模塊變壓器均衡時間是電感式均衡時間的3倍以上。在能量變化方面，充電均衡時，電感式均衡圖3能量高的1#電池先放電，能量最低的4#電池先快速充電；1#、2#電池一致時一起放電，3#、4#電池一致時一起充電；當4個電池一致時同時充電。多模塊變壓器（圖5）所有電池都開始充電，都開始增加表明多模塊變壓器都開始工作。放電均衡時，電感式均衡（圖4）能量高的1#電池快速放電，能量最低的4#電池先充電，當3#、4#電池一致時再開始放電，直至與1#、2#電池一致時一起放電。多模塊變壓器（圖6）所有電池都開始放電，都開始減少表明多模塊變壓器都一起工作。

圖3 單體間電感均衡充電仿真結果

圖4 單體間電感均衡放電仿真結果

圖5 單體間多模塊變壓器均衡充電仿真結果

圖6 單體間多模塊變壓器均衡放電仿真結果

圖7 電池組間多模塊變壓器均衡充電仿真結果

由模組間多模塊變壓器均衡仿真結果可知，底層電感式均衡，在充電均衡時，單體電池值高的電池先放電再充電，值低的始終充電，在放電均衡時，單體電池值高的始終放電，值低的先充電再放電，均衡時間在不到500 s時已趨于一致；頂層多模塊變壓器均衡，不論充放電均衡都會同時工作。在充電均衡時，圖7中所有電池模組同時充電，電池模組4以較大電流充電，其余電池模組以小于電池模組4的電流進行充電，在不足3 000 s時趨于一致。在放電均衡時，圖8中值最低的第4個電池模組以緩慢的速度下降，值最高的第1個電池模組以最快的速度下降，說明電池模組1以最大電流放電，電池模組4以最小電流放電，電池模組2和電池模組3次之，當電池模組1和電池模組4的一致時，兩個模組以相同的速度放電與電池模組2和電池模組3趨于一致。

3 結論

1）電感式主動均衡在串聯(lián)電路中均衡速率高，因電感體積小可以用于單體電池間的主動均衡。

2）多模塊變壓器主動均衡因可以同時工作而有利于提升均衡效率。

3）在串聯(lián)電路中，單體間均衡采用電感式均衡，模組間采用多模塊變壓器均衡有利于提升模組均衡效率。將兩種均衡模式相結合既可以兼顧均衡速率又可提升均衡效率。將其應用于車載多電池箱均衡中可解決單個均衡方式均衡速率和均衡效率低的問題。

[1] 宋紹劍,王志浩,林小峰.基于SOC的鋰動力電池組雙向主動均衡控制[J].系統(tǒng)仿真學報,2017,29(3): 609-617.

[2] 劉波,邱曉燕.主動配電網(wǎng)儲能優(yōu)化規(guī)劃[J].儀器儀表學報,2016,37(5):1180-1186.

[3] 熊永華,楊艷,李浩,等.基于SOC的鋰動力電池多層雙向自均衡方法[J].電子學報,2014,42(4):766-773.

[4] 汪琦,吳長水.電池管理系統(tǒng)均衡控制策略研究[J].軟件工程,2020,23(9):13-16.

[5] 馮飛,宋凱,逯仁貴,等.磷酸鐵鋰電池組均衡控制策略及荷電狀態(tài)估計算法[J].電工技術學報,2015,30 (1):22-29.

[6] KIM M Y,KIM C H,KIM J H,et al.A Chain Structure of Switched Capacitor for Improved Cell Balancing Speed of Lithium-ion Batteries[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013(8):3989-3999.

[7] BAUGHMAN A C,FERDOWSI M.Double-tieredSwitched-capacitor Battery Charge Equalization Tech- nique[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008,55(6):2277-2285.

[8] GALLARDO LOZANO J, ROMERO CADAVAL E, MILANES MONTERO M I,et al.Battery Equalization Active Methods[J]. Journal of Power Sources,2014,24 (6):934-949.

[9] 劉征宇,夏登威,姚利陽,等.基于耦合繞組的鋰電池組主動均衡方案研究[J].電機與控制學報,2021,25 (2):54-64.

[10] 尤森檳,程志江,柴萬騰,等.動力電池狀態(tài)估計及均衡電路的研究[J].電池,2020,50(3):271-275.

[11] 張亞楠.基于雙向反激變換器的電池組主動均衡技術研究[D].北京:北京交通大學,2020.

[12] 范義.基于DSP的單相光伏并網(wǎng)逆變器的設計與實現(xiàn)[D].廣州:廣東工業(yè)大學,2017.

Research on Active Balancing Technology of SOC Multi-module Transformer Battery Pack

SI Juanli, CHANG Hongmei*

( College of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China )

Aiming at the equilibrium rate and equilibrium efficiency between battery cells and battery modules of pure electric vehicles, the series connection circuit of battery cells and battery modules is designed to study the equilibrium rate and equilibrium efficiency of charging and discharging between battery cells and battery modules, and the active balancing mode of inductive and multi-module transformer between battery cells and multi-module transformer between battery modules is adopted. In the MATLAB/Simulink software environment, the corresponding simulation models are built, and the battery state of charge (SOC) is used as the equilibrium control variable, and the "mean-difference" control strategy is used to carry out simulation experiments. The simulation results show that the equilibrium time of the series battery unit using a multi-module transformer is three times that of the inductive equalization time. When the battery pack is balanced, the underlying cell SOC is quickly consistent through inductive balancing, and the top battery module is charged and discharged simultaneously through the transformer, so that the battery pack SOC is consistent. The monomer equalization adopts inductive type and the module adopts multi-module transformer type balancing, which is applied to the balancing of vehicle multi-battery boxes, which helps to improve the equalization rate and equalization efficiency.

Battery SOC; Multi-module transformers; Active balancing; Battery modules; MATLAB/Simulink

TM912

A

1671-7988(2023)12-92-05

司娟利（1988－），女，碩士，助理工程師，研究方向為純電動車電池管理系統(tǒng)，E-mail:2470044162@qq.com。

常紅梅（1970－），女，碩士，副教授，研究方向為汽車電子控制技術、新能源汽車性能等，E-mail: chm130002 @snut.edu.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.018