基于Buck-Boost 的鋰離子電池組分層均衡研究*

徐元中，郭 純，吳鐵洲，徐思云

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068)

為解決燃油汽車尾氣造成的環(huán)境污染、全球變暖等問(wèn)題，全世界汽車都朝著新能源和電動(dòng)化發(fā)展[1]。在新能源汽車領(lǐng)域，電池電源系統(tǒng)是整車的動(dòng)力源泉，因此對(duì)電池電源系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義[2]。由于單節(jié)鋰離子電池的電壓很小，一般需要將多個(gè)單體鋰離子電池進(jìn)行串、并聯(lián)組合，這樣才能得出符合相應(yīng)功率需求和電壓的鋰離子電池組。受電池制造工藝的影響，同一批次生產(chǎn)的單體電池性能指標(biāo)也可能存在差異，當(dāng)這些單體電池串并聯(lián)組成電池組投入使用后，隨著使用次數(shù)的增加，電池組的不一致性將會(huì)體現(xiàn)得更加明顯，這將導(dǎo)致容量較小的單體電池過(guò)充過(guò)放、容量較大的單體電池欠充欠放，造成能量的浪費(fèi)，縮短電池組使用壽命，甚至可能會(huì)由于溫度過(guò)高造成爆炸事故等[3-5]。電池組均衡可以減小電池組的不一致性，延長(zhǎng)電池組的使用壽命，提高能量利用率，同時(shí)保障電池組能安全穩(wěn)定地運(yùn)行[6]。

均衡電路按照是否耗能可以分為兩種類型，一個(gè)是能耗式均衡(即被動(dòng)均衡)，另一個(gè)是非能耗式均衡(即主動(dòng)均衡)。被動(dòng)均衡是利用旁路電阻消耗高能量單體中多余的的能量從而達(dá)到均衡的目的，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低，其缺點(diǎn)是能量損耗大[7]。主動(dòng)均衡主要是通過(guò)電容、電感、變壓器、DCDC 變換器等非能耗式儲(chǔ)能元件將高能量單體中多余的能量轉(zhuǎn)移到低能量單體中從而達(dá)到均衡的目的。其中，將電感作為中間儲(chǔ)能元件的均衡電路[8]，具有均衡電流大、電路易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]基于開(kāi)關(guān)電感的Buck-Boost 電路，提出了自由成組分層均衡技術(shù)，該電路可以實(shí)現(xiàn)電池任意組合均衡，但存在大量的開(kāi)關(guān)損耗，造成能量利用率低。文獻(xiàn)[10]利用電感和反擊式變壓器設(shè)計(jì)了一種新型分層均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)電感只能實(shí)現(xiàn)相鄰單體電池間均衡的弊端，但其缺點(diǎn)是變壓器成本高且控制較復(fù)雜。文獻(xiàn)[11]利用改進(jìn)的Buck-Boost 結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了從第一個(gè)單體電池和最后一個(gè)單體電池間的能量傳遞。文獻(xiàn)[12]基于分層均衡電路提出了組內(nèi)組間同時(shí)均衡和分層均衡這兩種均衡策略，通過(guò)學(xué)習(xí)該文獻(xiàn)為本文研究的分層均衡策略奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于均衡控制策略，是指將均衡變量作為電池組是否達(dá)到一致的判斷依據(jù)。均衡變量包括電壓、電池剩余容量和SOC[13]。其中，將電壓作為均衡變量是應(yīng)用最早的一種均衡方式，雖然電壓均衡簡(jiǎn)單實(shí)用，但電池端電壓在使用的過(guò)程中受多種因素的影響，波動(dòng)很大，因此該種均衡方法效果并不太理想。將電池實(shí)際剩余容量作為均衡判斷依據(jù)，當(dāng)電池剩余容量不同時(shí)，電池組內(nèi)會(huì)存在部分單體電池出現(xiàn)過(guò)充過(guò)放現(xiàn)象從而損害電池性能。相比于前兩者，電池的SOC 能更準(zhǔn)確地反映電池的不一致性。

綜上所述，為解決均衡電路中存在的均衡速度慢、均衡時(shí)間長(zhǎng)等問(wèn)題，本文結(jié)合開(kāi)關(guān)電感法中Buck-Boost 結(jié)構(gòu)和多分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種基于Buck-Boost 電路的鋰離子電池分層均衡技術(shù)，選用電池SOC 的值作為是否啟動(dòng)均衡系統(tǒng)的判斷依據(jù)，對(duì)電池組進(jìn)行分層分組，根據(jù)分組情況，設(shè)置每層均衡控制方法，采用逐層均衡策略，最終實(shí)現(xiàn)電池組均衡。

1 均衡電路及其原理

1.1 均衡電路

傳統(tǒng)的單層均衡拓?fù)淙鐖D1(a)所示，其在進(jìn)行電池組均衡時(shí)一般只在同一層次上相鄰單體電池間進(jìn)行能量傳遞，存在能量傳輸通道單一的問(wèn)題。而雙層均衡拓?fù)潆m然解決了能量傳輸通道單一的問(wèn)題，但是當(dāng)電池組單體電池?cái)?shù)量龐大時(shí)，需同時(shí)打開(kāi)均衡器開(kāi)關(guān)數(shù)多，這樣會(huì)造成同一時(shí)刻大量的開(kāi)關(guān)損耗，影響均衡速度。為提高均衡速度、縮短均衡時(shí)間，本文基于分層均衡策略的原理，提出了基于開(kāi)關(guān)電感的Buck-Boost 分層均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，它解決了同一時(shí)刻開(kāi)關(guān)損耗大的問(wèn)題，根據(jù)電池組實(shí)際情況，將電池組分為多層，采用逐層均衡的均衡策略，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組均衡的目的。

圖1 傳統(tǒng)單層均衡與雙層均衡拓?fù)鋱D

圖2 分層均衡拓?fù)鋱D

1.2 均衡原理

本文選取了以Buck-Boost 變換器作為分層均衡電路的均衡器，它由兩個(gè)MOSFET 開(kāi)關(guān)與電感組成，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。分層均衡電路的第一層最小均衡單元如圖3(b)所示，該均衡拓?fù)渲饕獞?yīng)用開(kāi)關(guān)和電感協(xié)作完成能量轉(zhuǎn)移。

圖3 均衡器與最小均衡單元結(jié)構(gòu)圖

DC-DC 變換器有兩種工作模式。第一種工作模式:電流連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，如圖4(a)所示。第二種工作模式:電流斷續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Current Mode，DCM)，如圖4(b)所示。為了避免出現(xiàn)電磁飽和現(xiàn)象，均衡模塊將選擇工作在電流斷續(xù)導(dǎo)通模式，在此工作模式下，均衡器中電感可以在開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間釋放開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)所有吸收的全部能量。

圖4 DC-DC 變換器的兩種工作模式

圖3 中iL1為流過(guò)電感L1的電流。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電池給電感充電，此時(shí)電感電壓為VC；當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，電感給相應(yīng)的電池充電，此時(shí)電感電壓為Vd。VD為開(kāi)關(guān)管的正向?qū)妷?，Ron為通過(guò)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)的回路總電阻，Roff為通過(guò)開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)的回路總電阻，T為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。假設(shè)電池B1的能量高于電池B2，此時(shí)均衡過(guò)程可以分為2 個(gè)階段:

第一階段(0～ton):導(dǎo)通開(kāi)關(guān)S1，關(guān)斷開(kāi)關(guān)S2，此時(shí)工作狀態(tài)電路圖如圖5 所示。此時(shí)電池B1、開(kāi)關(guān)管S1、電感L1形成回路，電池B1將多余的能量轉(zhuǎn)移到電感L1上，電感將這些能量以磁能的形式保存起來(lái)，電感電流iL1增大。在該階段中，電感L1的電壓和電流如下式所示:

圖5 第一階段工作狀態(tài)電路圖

第二階段(ton～T):當(dāng)t＝ton時(shí)iL1達(dá)到最大值ip。將S1開(kāi)關(guān)關(guān)斷，此時(shí)工作狀態(tài)電路圖如圖6 所示，電感L1通過(guò)續(xù)流二極管D2給電池B2充電，電感L1電流iL1減小。在該階段中，電感L1的電壓和電流如下式所示:

圖6 第二階段工作狀態(tài)電路圖

由于VD、Ron、Roff的值非常小，可忽略不計(jì)。當(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，電感電流線性增加；當(dāng)開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電感電流線性減小。各階段電感電流可以簡(jiǎn)化為:

式(7)中:D為占空比，T為開(kāi)關(guān)周期。為了拓?fù)渲芯馄鞫脊ぷ髟贒CM 模式下，即在td時(shí)刻電感電流下降為0，且td＜T。由此，推導(dǎo)出對(duì)應(yīng)均衡器的占空比需要滿足以下不等式:

控制開(kāi)關(guān)管MOSFET 導(dǎo)通與關(guān)斷的是PWM 信號(hào)，PWM 波的占空比直接影響著均衡速度，由電池均衡電路工作原理知，在電池間進(jìn)行能量傳遞，當(dāng)VC與Vd的比值最小時(shí)，此時(shí)計(jì)算出占空比D為最大值。

2 均衡分組

假設(shè)電池組共有N個(gè)單體電池，本文將電池組分為多層，并采用逐層均衡的方法。第一層:將電池組分成M個(gè)子模塊，當(dāng)N為偶數(shù)時(shí)，每個(gè)子模塊由兩個(gè)單體電池組成，當(dāng)N為奇數(shù)時(shí)，除了落單的單體電池最近的子模塊由三個(gè)單體電池組成，其他的均由兩個(gè)單體電池組成。第二層:當(dāng)M為偶數(shù)時(shí)，相鄰的兩個(gè)子模塊和一個(gè)均衡器組成一個(gè)新的均衡單元；當(dāng)M為奇數(shù)時(shí)，落單的子模塊與相鄰的子模塊也會(huì)組成新的一個(gè)均衡單元；以此類推，經(jīng)過(guò)層層遞進(jìn)最后達(dá)到均衡的目的。以電池組所包含的單體電池個(gè)數(shù)為8、9 為例，用圖畫(huà)的形式表達(dá)均衡分組情況，如圖7 所示。

圖7 電池組均衡分組情況

當(dāng)電池組單體電池?cái)?shù)目為8 時(shí)，第一層將電池組分為兩兩一組；第二層將相鄰的兩個(gè)子模塊(包含兩個(gè)單體電池)組合成新的一個(gè)子模塊，這時(shí)可以分成四四一組；第三層將第二層四四分組的子模塊用均衡器將其連接起來(lái)，組成一個(gè)新的均衡模塊。

當(dāng)電池組單體電池?cái)?shù)目為9 時(shí)，第一層先將電池組分為兩兩一組，最后一組由3 個(gè)單體電池組成，即分布情況為2、2、2、3(其中2、3 均為每個(gè)子模塊中包含單體電池的數(shù)目)；第二層將相鄰的兩個(gè)子模塊重新組合成新的一個(gè)子模塊，此時(shí)分布情況為:一組為2 與2 組合，另一組為2 與3 組合；由于第二層均衡完成以后前4 個(gè)電池性能基本一致，將這4個(gè)單體電池組成一個(gè)新的子模塊，同理后5 個(gè)單體電池組成一個(gè)子模塊，第三層將4 與5 用均衡器連接起來(lái)，進(jìn)行能量傳遞，最后實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組均衡。

3 均衡控制策略

根據(jù)上述均衡分組情況制定相應(yīng)的均衡策略，以單體電池SOC 作為均衡變量，采用平均值差值比較法和極差相結(jié)合的均衡方案，進(jìn)行逐層均衡，均衡策略流程圖如圖8 所示。

圖8 均衡策略流程圖

均衡控制方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:

①利用電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器對(duì)電池組電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集；

②電池組進(jìn)行分層分組，并設(shè)置均衡閾值，采用卡爾曼濾波算法估計(jì)各單體電池Bi的SOC，查找到各子模塊Mj中SOC 最大值SOCMax和最小值SOCMin的單體電池，并計(jì)算各子模塊所包含單體電池SOC的平均值

③根據(jù)分組情況，進(jìn)行逐層均衡。首先第一層，當(dāng)兩個(gè)相鄰單體電池SOC 的差值超出均衡閾值時(shí)，開(kāi)啟第一層均衡，否則第一層均衡結(jié)束。第一層均衡完成，又滿足第二層均衡開(kāi)啟條件，即當(dāng)相鄰兩個(gè)子均衡模塊SOC 的平均值的差值超出均衡閾值時(shí)，此時(shí)開(kāi)啟第二層均衡；當(dāng)每個(gè)子均衡模塊中單體電池SOC 的最大值與最小值的差值小于閾值時(shí)，第二層均衡結(jié)束。接下來(lái)均衡第三層，以此類推，層層遞進(jìn)。

④均衡100 s 后，停止均衡，回到步驟②；若SOC 的偏差值沒(méi)有超出閾值，則均衡結(jié)束。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 均衡實(shí)驗(yàn)

基于MATLAB/Simulink 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別選用8 節(jié)和9 節(jié)鋰離子電池做了本文提出的分層均衡實(shí)驗(yàn)，其中用8 節(jié)鋰離子電池做的仿真實(shí)驗(yàn)如圖9所示，同時(shí)選用8 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實(shí)驗(yàn)和雙層均衡實(shí)驗(yàn)，如圖10 所示，其中鋰離子電池模型為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)MATLAB/Simulink 提供的電池(Battery)模塊，設(shè)置鋰離子電池的額定電壓為3.7 V，上限截止電壓為4.2 V，電感為200 μH，開(kāi)關(guān)頻率為8 kHz。

圖9 分層均衡的仿真實(shí)驗(yàn)圖

圖10 傳統(tǒng)均衡拓?fù)涞姆抡鎸?shí)驗(yàn)圖

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

選用8 節(jié)鋰離子電池和9 節(jié)鋰離子電池做了本文提出的分層均衡實(shí)驗(yàn)，同時(shí)還用8 節(jié)鋰離子電池和9 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實(shí)驗(yàn)和雙層均衡實(shí)驗(yàn)來(lái)做對(duì)比。鋰離子電池組各單體電池初SOC 的取值，如表1 所示。

表1 鋰離子電池組各單體電池初始SOC

用8 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實(shí)驗(yàn)、雙層均衡實(shí)驗(yàn)和分層均衡實(shí)驗(yàn)，其均衡過(guò)程中各單體電池SOC 變化情況分別如圖11(a)、圖11(b)和圖11(c)所示。

圖11 采用8 節(jié)單體鋰離子電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

采用8 節(jié)單體鋰離子電池做均衡仿真實(shí)驗(yàn)，初始狀態(tài)下，電池組SOC 的均值為81.87%，當(dāng)電池組均衡后，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示，本文分層均衡所用均衡時(shí)間比傳統(tǒng)單層和雙層均衡分別縮短了288.54 s 和44.86 s，均衡速度分別提高了86.86%和50.67%；根據(jù)各單體電池的SOC 初始值和已均衡時(shí)SOC 的平均值，可得本文分層均衡相較于傳統(tǒng)單層和雙層均衡，能量轉(zhuǎn)移效率分別提高了13.65%和5.38%。

表2 采用8 節(jié)單體電池均衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

用9 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實(shí)驗(yàn)、雙層均衡實(shí)驗(yàn)和分層均衡實(shí)驗(yàn)，其均衡過(guò)程中各單體電池SOC 變化情況分別如圖12(a)、圖12(b)和圖12(c)所示。

圖12 采用9 節(jié)單體鋰離子電池的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

采用9 節(jié)單體鋰離子電池做均衡仿真實(shí)驗(yàn)，初始狀態(tài)下，電池組SOC 的均值為80.78%，當(dāng)電池組均衡后，其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3 所示，本文分層均衡所用均衡時(shí)間比傳統(tǒng)單層和雙層均衡分別縮短了315.98s 和48.78s，均衡速度分別提高了84.08%和44.92%；根據(jù)各單體電池的SOC 初始值和已均衡時(shí)SOC 的平均值，可得本文分層均衡相較于傳統(tǒng)單層和雙層均衡，能量轉(zhuǎn)移效率分別提高了21.3%和9.22%。

表3 采用9 節(jié)單體電池均衡實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文針對(duì)鋰離子電池組均衡過(guò)程中速度慢的問(wèn)題，結(jié)合開(kāi)關(guān)電感的Buck-Boost 電路和分層均衡原理，設(shè)計(jì)了基于Buck-Boost 分層均衡方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)單層和雙層Buck-Boost 均衡電路，本文設(shè)計(jì)的分層均衡方案可以現(xiàn)實(shí)電池組在更短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均衡的目的，提高了均衡速度，同時(shí)也提高了均衡過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)移效率。