集成均衡和保護(hù)功能的電池充放電電路

楊曉光，趙小兵，聶寶鑫，蘇昱魁

(1.河北工業(yè)大學(xué)省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué)河北省電磁場(chǎng)與電器可靠性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130)

鋰電池已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種儲(chǔ)能系統(tǒng)中，如儲(chǔ)能電站、不間斷電源、電動(dòng)汽車以及各類便攜式電子設(shè)備等。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中必須配置均衡電路以克服串聯(lián)單體不一致性所帶來的負(fù)面影響[1-2]。

現(xiàn)有的均衡技術(shù)可分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡技術(shù)具有效率高和均衡速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛和深入的研究，目前已經(jīng)提出了多種主動(dòng)均衡技術(shù)。常見的主動(dòng)型均衡技術(shù)可分為電容型、電感型和變壓器型等等[1-3]。相比于其他均衡電路，選擇開關(guān)技術(shù)具有均衡速度快、體積小和質(zhì)量輕的優(yōu)點(diǎn)。

均衡電路的選擇需要根據(jù)具體應(yīng)用從體積、質(zhì)量、成本、均衡速度、復(fù)雜度和效率等幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估[4-9]。

對(duì)于低功率便攜式儲(chǔ)能系統(tǒng)，應(yīng)該優(yōu)先選擇體積小、質(zhì)量輕、效率高以及均衡速度快的主動(dòng)均衡電路。通過前文分析可知，選擇開關(guān)技術(shù)可滿足上述要求。選擇開關(guān)技術(shù)在儲(chǔ)能系統(tǒng)中的典型應(yīng)用如圖1 所示。

在低功率便攜式儲(chǔ)能系統(tǒng)中，除了均衡電路之外，一般還需要保護(hù)電路，如圖2 所示。通過控制與電池組串聯(lián)的兩個(gè)MOSFET(S1和S2)能夠?qū)崿F(xiàn)過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)和短路保護(hù)[10]。

圖2 采用保護(hù)電路的儲(chǔ)能系統(tǒng)

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通過器件或電路的復(fù)用，將均衡電路集成到充/放電電路上，能夠減少器件數(shù)量，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，并節(jié)約成本[5-9,11]。其中，文獻(xiàn)[5，9]將均衡電路和級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器(CBBC)進(jìn)行了集成，從而簡(jiǎn)化了系統(tǒng)。級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器如圖3 所示，可實(shí)現(xiàn)雙向升降壓，能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS，已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用研究。

圖3 級(jí)聯(lián)Buck-Boost變換器

基于圖1 所示的選擇開關(guān)技術(shù)，圖2 所示的保護(hù)電路以及圖3 中所示的CBBC，本文通過復(fù)用技術(shù)，提出了一種集成充放電電路拓?fù)洌?jiǎn)化了儲(chǔ)能系統(tǒng)。該拓?fù)渚哂幸韵绿攸c(diǎn)：(1)具有級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS 和最小導(dǎo)通損耗，整個(gè)集成變換器只有一個(gè)磁性元件，具有體積小和質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)；(2)串聯(lián)單體之間具有非常小的SOC或/和電壓均衡誤差；(3)故障電池單體能夠被旁路，提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性和安全性；(4)具有均衡速度快和效率高的優(yōu)勢(shì)。

本文在第1 部分介紹了所提出的集成充放電電路的拓?fù)浜凸ぷ髟?；在? 部分進(jìn)行穩(wěn)態(tài)特性分析，主要是均衡方法的分析；在第3 部分給出樣機(jī)設(shè)計(jì)與測(cè)試結(jié)果，主要驗(yàn)證理論分析的正確性和測(cè)試電路的均衡特性；與其他類似電路的對(duì)比將放在第4 部分。

1 電路拓?fù)渑c工作原理

本文提出的集成充放電電路的拓?fù)淙鐖D4 所示，該拓?fù)涫峭ㄟ^將選擇開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器和保護(hù)電路集成得到的。圖4 中集成拓?fù)涫峭ㄟ^復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)的：(1)S3,i(i=1,2,3)的復(fù)用：S3,i和Sa,i(i=1,2,3)構(gòu)成選擇開關(guān)，S3,i又與S1、S2、S4以及電感L構(gòu)成級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器；(2)級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器復(fù)用：級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器不僅是應(yīng)用于串聯(lián)儲(chǔ)能串的充放電電路，也是應(yīng)用于選擇開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的DC-DC 變換器，參見圖1；(3)S3,i(i=1,2,3)，Sa,i(i=1,2,3)，Sb,i(i=1,2,3)和Sc,i(i=2,3)構(gòu)成的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)能夠有效實(shí)現(xiàn)均衡和保護(hù)兩種作用。

圖4 所提出的電池充放電電路

需要說明的是，為了簡(jiǎn)化分析，本文只給出了應(yīng)用于3 個(gè)電池單體的拓?fù)?，但所提出的拓?fù)淇梢詳U(kuò)展到n個(gè)單體的應(yīng)用。通過控制選擇開關(guān)網(wǎng)絡(luò)可以改變n個(gè)電池單體之間的串并聯(lián)關(guān)系，也可以旁路任意一個(gè)或多個(gè)電池單體。表1 給出了三個(gè)單體所構(gòu)成的電池組在運(yùn)行過程中可能的重構(gòu)方式。

表1 三個(gè)串聯(lián)電池單體的可能重構(gòu)方案

由表1 可知，由于電池組可重構(gòu)，本文所提出的拓?fù)溆袃煞N均衡方式，旁路均衡和并聯(lián)均衡。旁路均衡效率高、速度快，但是受電壓測(cè)量誤差和SOC計(jì)算誤差的影響，均衡程度還有待進(jìn)一步提高。電池并聯(lián)時(shí)，電壓高的電池單體的能量會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到電壓低的電池單體中實(shí)現(xiàn)電壓均衡；但是，并聯(lián)均衡只能應(yīng)用于電壓差較小的電池之間，否則由于瞬時(shí)均衡電流過大對(duì)較弱的電池單體造成沖擊。

如上所述，通過控制選擇開關(guān)網(wǎng)絡(luò)能夠旁路任意一個(gè)或多個(gè)電池單體實(shí)現(xiàn)均衡功能，當(dāng)然也能旁路故障電池，實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)；另外，通過對(duì)比圖4 和圖2 可知，圖4 中的S3,3和Sa,3能實(shí)現(xiàn)圖2 中S1和S2相同的功能，即能夠?qū)崿F(xiàn)過流保護(hù)、過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)和短路保護(hù)。上述保護(hù)功能通過控制相應(yīng)的開關(guān)即可實(shí)現(xiàn)，相比之下，均衡充放電要復(fù)雜得多，因此本文主要對(duì)電路的均衡過程進(jìn)行分析。

2 穩(wěn)態(tài)分析

由表1 可知，本文所提出的拓?fù)淠軌蜢`活配置電池單體的串并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)不同的均衡方法。充/放電時(shí)根據(jù)不同的輸入與輸出電壓等級(jí)及均衡方法，可以選擇不同的電池重構(gòu)均衡充/放方案。由于級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器充電與放電分析方法類似，并且圖4 中的選擇開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在充電和放電中的均衡控制方法也類似，因此本文只對(duì)均衡充電過程進(jìn)行分析。

為了便于分析，分別用SOCB1(t0)、SOCB2(t0)和SOCB3(t0)表示電池單體B1、B2和B3在初始時(shí)刻電池的荷電狀態(tài)，并假設(shè)：SOCB1(t0)＞SOCB2(t0)＞SOCB3(t0)，如圖5 中的t0時(shí)刻所示。

圖5 充電時(shí)電池單體的SOC和端部電壓變化

假設(shè)在t0時(shí)刻之前，開關(guān)Sc,i處于閉合狀態(tài)，開關(guān)Sa,i、Sb,i處于斷開狀態(tài)，電池單體B1、B2和B3串聯(lián)。在t0時(shí)刻，將開關(guān)Sc,i由閉合變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，Sb,3和Sb,1由斷開變?yōu)殚]合狀態(tài)，電池單體B1和B2被旁路，只有電池單體B3充電[如圖6(a)所示]，這一狀態(tài)一直持續(xù)到t1時(shí)刻。基于Thevenin 等效模型，由電池單體的端電壓可估算出其OCV，電池等效模型及參數(shù)辨識(shí)的詳細(xì)說明參見文獻(xiàn)[12]。

圖6 均衡充電過程的工作模態(tài)

在t1時(shí)刻，電池單體B3和B2實(shí)現(xiàn)了均衡，將Sb,3由閉合變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，開關(guān)Sc,3和Sb,2由斷開變?yōu)殚]合狀態(tài)，電池單體B3、B2串聯(lián)充電[如圖6(b)所示]，在充電過程中B3和B2的SOC與B1的SOC逐漸趨于一致，直到t2時(shí)刻，三個(gè)電池單體的SOC達(dá)到了均衡。

在t2時(shí)刻，將開關(guān)Sb,1和Sb,2由閉合變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，將Sc,2由斷開變?yōu)殚]合狀態(tài)，B1、B2、B3串聯(lián)充電[如圖6(c)所示]，一直持續(xù)到t3時(shí)刻任意一個(gè)電池單體的電壓達(dá)到充電電壓上限。

在t3時(shí)刻，Sc,i由閉合變?yōu)閿嚅_狀態(tài)，Sb,i由斷開變?yōu)殚]合狀態(tài)，Sa,i變?yōu)殚]合狀態(tài)，由此所有單體電池實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。三個(gè)電池并聯(lián)，實(shí)施恒壓充電，等效電路圖如圖6(d)所示。

在圖5 中的t2～t3時(shí)間段，由于受電壓測(cè)量誤差和SOC計(jì)算誤差的影響，均衡程度還有待進(jìn)一步提高。在t3時(shí)刻電池并聯(lián)，電壓高的電池單體的能量會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到電壓低的電池單體中實(shí)現(xiàn)電壓均衡。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

本文制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，關(guān)鍵器件和參數(shù)如表2 所示，其中電感L 和電容C 的設(shè)計(jì)方法參見文獻(xiàn)[5]。變換器給電池組充電時(shí)輸入電壓Vin為12 V。三個(gè)電池單體構(gòu)成電池組，電池單體型號(hào)為NCRT21700T，標(biāo)稱容量為4 800 mAh，標(biāo)稱電壓為3.7 V，充電截止電壓為4.2 V，放電截止電壓為2.5 V，開路電壓(open-circuit voltage,OCV)與SOC的測(cè)試結(jié)果如圖7所示，詳細(xì)測(cè)試方法參見文獻(xiàn)[12]。

圖7 所用鋰電池OCV曲線測(cè)試結(jié)果

本文基于電感電流模型的建立，通過控制開關(guān)管S1和S3,i的占空比d1與d3以及二者之間的移相占空比的值dφ，實(shí)現(xiàn)了級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器所有開關(guān)工作于ZVS 狀態(tài)并使得電感電流的有效值(RMS)達(dá)到最小，具體方法參見文獻(xiàn)[5]。

圖8 為電感電流有效值(RMS值)隨移相占空比dφ的變化曲線，可以看出，當(dāng)dφ＞0.1 時(shí)電感電流的RMS值快速增大。另一個(gè)需要考慮的問題是如果dφ取值太小，則會(huì)導(dǎo)致S3,i難以實(shí)現(xiàn)ZVS。本文中選擇dφ=0.1。圖9 為根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的方法得到的d1和d3的最優(yōu)計(jì)算結(jié)果。

圖8 電感電流RMS的計(jì)算結(jié)果

圖9 變換器工作于ZVS并具有最小RMS條件下的控制變量d1和d3的計(jì)算結(jié)果

3.2 級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器特性驗(yàn)證

如前文所述本文所提出的集成充放電電路具有級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器的特性，本小節(jié)通過測(cè)試對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證：

(1)樣機(jī)的測(cè)試波形如圖10 所示，與級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器工作于恒頻混合單模式下的關(guān)鍵波形相吻合，參見文獻(xiàn)[5]，驗(yàn)證了本文第1 部分理論分析的正確性。

圖10 Vin=Vo=12 V情況下的實(shí)驗(yàn)波形

(2)此外，由圖10 中的各個(gè)時(shí)間段T1、T2、T3和TS，根據(jù)式(1)可計(jì)算出開關(guān)管S1和S3,i的占空比d1與d3以及二者之間的移相占空比dφ[5]。

由圖10 和式(1)可得到，d1=0.692，d3=0.688，dφ=0.108，與圖9 中的計(jì)算結(jié)果相吻合，驗(yàn)證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

(3)效率測(cè)試結(jié)果也能間接驗(yàn)證所提出的集成充放電電路具有級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器的特性。圖11 給出了在Vin=12 V 與Vo=11 V 的條件下，樣機(jī)的效率隨不同負(fù)載電流變化的測(cè)試結(jié)果。在開關(guān)頻率400 kHz 的條件下，變換器只有在軟開關(guān)工作狀態(tài)下才能獲得如此高的效率。

圖11 隨不同負(fù)載電流變化的效率測(cè)試結(jié)果

3.3 均衡特性

基于表1 和圖5，對(duì)所提出的集成充放電路進(jìn)行均衡性能測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)中電池單體恒流充電電流為2.5 A，恒壓充電電壓為4.2 V。均衡性能測(cè)試前，各電池單體的初始電壓分別為：VB1=3.603 V、VB2=3.461 V、VB3=3.201 V；初始SOC分別為：SOCB1=38.6%，SOCB2=25.1%，SOCB3=10.4%。均衡充電過程如圖12 所示，首先以2.5 A 給SOC最小的電池B3充電，當(dāng)B3的SOC和B2的SOC達(dá)到均衡后，B2和B3串聯(lián)充電，當(dāng)B2和B3的SOC和B1的SOC均衡后，三個(gè)電池串聯(lián)充電，直到任意一個(gè)電池單體的電壓達(dá)到充電截止電壓，開始恒壓充電，并將B1、B2和B3并聯(lián)。之所以在充電末端恒壓階段將電池單體進(jìn)行并聯(lián)是因?yàn)椋河捎谑茈妷簻y(cè)量誤差和SOC計(jì)算誤差的影響，電池單體之間的均衡程度可能存在誤差。根據(jù)鋰電池的特性，在電池充電末期電池的OCV 能很好地反映其SOC，因此本文充電末期實(shí)施并聯(lián)充電。此時(shí)，端電壓高的電池單體的能量會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)移到電壓低的電池單體中實(shí)現(xiàn)電壓均衡。在圖12(b)中，恒流模式切換到恒壓模式時(shí)，電池的電壓發(fā)生突變，這是由于電池的內(nèi)阻壓降突變引起的。當(dāng)電池的充電電流下降到0.15 A 時(shí)充電截止，各個(gè)電池單體的剩余容量分別為SOCB1=99.8%，SOCB2=99.9%，SOCB3=100.0%。

圖12 充電均衡過程

4 對(duì)比分析

本文對(duì)所提出的集成均衡充放電電路與現(xiàn)有的類似拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比分析，其中，均衡電路部分主要關(guān)注體積、成本、均衡速度、復(fù)雜度和效率，對(duì)比結(jié)果如表3 所示。通過比較發(fā)現(xiàn)，本文所提出的集成系統(tǒng)中的均衡電路沒有單獨(dú)的雙向DC-DC 變換器，而是復(fù)用了充放電電路的級(jí)聯(lián)Buck-Boost 變換器，因而可以認(rèn)為本文中的均衡電路只包含選擇開關(guān)網(wǎng)絡(luò)，降低了均衡電路的成本、體積和復(fù)雜度。除此以外，本文所提出的集成充放電電路的均衡方法更加靈活，因而能夠獲得更好的均衡效果，并且集成了保護(hù)功能。

表3 與類似技術(shù)的比較

5 結(jié)論

本文提出了一種集成均衡和保護(hù)功能的電池充放電電路，均衡電路不需要單獨(dú)的雙向DC-DC 變換器，從而使得儲(chǔ)能系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化；所提出的集成拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)ZVS 運(yùn)行和最小導(dǎo)通損耗，因而具有較高的效率；集成充放電電路只有一個(gè)交流電感，因而具有體積小和質(zhì)量輕的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于低功率的應(yīng)用。

所提出的集成充放電電路能夠?qū)崿F(xiàn)串聯(lián)儲(chǔ)能單體之間的SOC均衡和/或電壓均衡，具有均衡方法靈活并且均衡效果優(yōu)良的優(yōu)勢(shì)。此外，所提出的電路能夠旁路故障電池，提高了系統(tǒng)的可靠性。