蓄電池能量均衡技術(shù)研究綜述

梁嘉羿，王友仁，黃薛，耿星

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

近年來，隨著能源危機和環(huán)境污染等問題越來越突出，新能源的應(yīng)用已經(jīng)成為我國十三五規(guī)劃的發(fā)展重點[1]。蓄電池作為一種清潔、無污染的能源，在智能電網(wǎng)的儲能系統(tǒng)和電動汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2-3]。單節(jié)蓄電池電壓較低，需要將多個單體電池串聯(lián)使用才可以滿足不同的電壓需求[4]。在循環(huán)使用中電池組中單體電池之間會產(chǎn)生不一致性，這將降低電池組容量利用率并嚴(yán)重影響電池的使用壽命。因此，在儲能蓄電池使用過程中需要進行均衡管理以提高電池組的一致性[5]。

本文研究了串聯(lián)電池組不一致性產(chǎn)生的原因及危害。分析了均衡衡量準(zhǔn)則的選取及目前研究存在的問題。研究了幾種典型均衡電路的優(yōu)點及難以逾越的技術(shù)問題，總結(jié)了國內(nèi)外最新的改進方法，從均衡速度、均衡效率、成本等角度對均衡電路進行比較。介紹了均衡控制策略的發(fā)展現(xiàn)狀。研究表明均衡技術(shù)不僅提高了電池組的能量利用率，更延長了電池的使用壽命。因此，對均衡技術(shù)的研究具有重要的理論意義及工程前景。

1 串聯(lián)電池組的不一致性

不一致性主要表現(xiàn)為組內(nèi)電池單體的端電壓、容量以及SOC等特性參數(shù)的差異。電池組的不一致性主要是由內(nèi)部原因和外部原因引起的。內(nèi)部原因即生產(chǎn)過程中的不一致性，由于原材料參差不齊，生產(chǎn)工藝、環(huán)境等因素的變化，導(dǎo)致同一型號的蓄電池初始性能不一致；外部原因即循環(huán)使用過程中的不一致性，主要是指單體電池之間容量衰減速率、自放電率、充放電能力等性能的不同造成的不一致。隨著充放電的循環(huán)，單體間的性能差異會更加明顯，導(dǎo)致不一致性更加嚴(yán)重[6]。

蓄電池的不一致性會導(dǎo)致電池組可使用容量減小，降低電池的使用壽命，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致安全事故。為了減小不一致性，提高電池組的使用壽命，通過電池均衡管理系統(tǒng)實時檢測單體電池性能狀態(tài)，通過能量耗散或者能量轉(zhuǎn)移的方式重新分配組內(nèi)單體的能量，減小單體之間容量的差異，提高容量利用效率。

2 均衡衡量準(zhǔn)則

均衡系統(tǒng)需要選取合適的特性參數(shù)作為均衡變量，其應(yīng)具有以下3點特征：1)準(zhǔn)確反映電池組的不一致狀態(tài)；2)易于獲?。?)有足夠的精度。如今均衡衡量準(zhǔn)則大多采用以下3種參數(shù)：剩余容量、端電壓和荷電狀態(tài)(SOC)。

2.1 剩余容量

剩余容量作為均衡衡量準(zhǔn)則可以使電池組充分放電從而提高電池組的放電容量。但是目前對剩余容量的估算方法大多是離線估算，并且估算精度很難保證。

2.2 端電壓

以電池單體的端電壓作為均衡衡量準(zhǔn)則，能夠有效地防止電池過充過放，而且電壓便于測量，精度相對較高[7]。但是隨著電池的循環(huán)使用，其容量、內(nèi)阻等參數(shù)會發(fā)生變化，造成較大的誤差。

2.3 荷電狀態(tài)SOC

以SOC作為均衡衡量準(zhǔn)則理論上可以保證各單體電池放電深度一致[8]。是當(dāng)前研究最多的方法。

文獻[9]以通過OVC-SOC擬合曲線，在電池靜態(tài)下估算蓄電池的SOC，但是無法實現(xiàn)在線估算。文獻[10]提出以熱力學(xué)荷電狀態(tài)作為均衡衡量準(zhǔn)則，動力學(xué)荷電狀態(tài)作為均衡控制依據(jù)的均衡控制策略，提高了估算精度。

3 均衡電路

均衡電路是電池組均衡系統(tǒng)必不可少的重要部分。本文介紹了被動均衡和主動均衡技術(shù)，并按儲能元件的不同對主動均衡電路進行分類(圖1)。

圖1 電池均衡電路分類

3.1 被動均衡

被動均衡電路也叫能量耗散型均衡電路，通過耗能電阻分流的方式耗散電量高的電池電量來降低電池組的不一致性?？梢苑譃槿鐖D2(a)所示的固定分流電阻均衡電路[11]，圖2(b)所示的開關(guān)型分流電阻均衡電路[12]以及圖2(c)所示的模擬分流均衡電路[13]。

圖2 被動均衡電路

被動均衡的優(yōu)點是元器件少、成本低、可靠性高和控制簡單等。但是，被動均衡電路在均衡過程中消耗了大量的能量，能量利用率低，同時電阻分流產(chǎn)生大量的熱量，存在熱管理問題。目前只是用在充電均衡中。

3.2 主動均衡

1) 電容型均衡電路

圖3(a)為單電容型均衡電路，該電路通過開關(guān)矩陣選擇電池，可以實現(xiàn)任意兩節(jié)電池間的能量轉(zhuǎn)移，均衡速度快，均衡效率高。但是，過多的開關(guān)增加了控制的難度和開關(guān)器件上能量的損耗[14]。

圖3(b)為開關(guān)電容型均衡電路。該電路通過開關(guān)的切換可以實現(xiàn)相鄰兩節(jié)電池的均衡，在保留了單電容型均衡電路均衡效率高的特點的同時，減小了控制的難度[15]。

基于儲能電容的均衡電路只能以端電壓為均衡衡量準(zhǔn)則，不能實現(xiàn)SOC均衡。當(dāng)兩節(jié)電池電壓相差較小時，均衡速度較慢。文獻[16]使用了兩層電容進行能量轉(zhuǎn)移，提高了均衡速度。文獻[17]通過給頂端和底端的兩節(jié)電池并聯(lián)電容，減少了均衡傳輸節(jié)點，提高了均衡速度和均衡效率。

圖3 電容型均衡電路

2) 電感型均衡電路

圖4(a)所示的是單電感型均衡電路，通過開關(guān)矩陣選擇電池來實現(xiàn)任意兩節(jié)電池單體間的均衡，這種電路的優(yōu)點在于均衡速度快，均衡效率高。但是開關(guān)控制復(fù)雜[18]。

圖4(b)所示的是對稱型儲能電感均衡電路。這是一種基于單向Buck-Boost變換器的一對多的均衡電路結(jié)構(gòu)，相對于雙向的Buck-Boost均衡電路減少了元器件數(shù)量，節(jié)約了電路成本，但是電路的均衡速度和均衡效率有所降低[19]。

文獻[20]通過串聯(lián)一個電容的方式與電感構(gòu)成LC振蕩回路，降低了開關(guān)器件的能量損耗。Lee K優(yōu)化了單電感均衡電路的開關(guān)矩陣，減少了開關(guān)器件數(shù)量[21]。

圖4 電感型均衡電路

3) 變壓器型均衡電路

單獨變壓器型均衡電路如圖5(a)所示，每一節(jié)電池都并聯(lián)了一個獨立的反激式變換器。通過開關(guān)選擇需要均衡的電池，PWM波驅(qū)動均衡控制開關(guān)Q導(dǎo)通，電池組的電量將轉(zhuǎn)移到被均衡電池中[22]。

多繞組變壓器型均衡電路如圖5(b)所示，通過一個多輸出變壓器將整個電池組的能量轉(zhuǎn)移到電壓較低的單體電池中。電池組的能量轉(zhuǎn)移到變壓器的源邊中儲存，通過變壓器次級繞組轉(zhuǎn)移到電池單體中，電壓低的電池單體會得到較多的能量[23]。

圖5 變壓器型均衡電路

基于變壓器的均衡電路的優(yōu)點是均衡速度快、精度高、控制簡單。缺點是變壓器的漏感會導(dǎo)致均衡偏差的出現(xiàn)，很難補償，難以實現(xiàn)多輸出繞組的精確匹配，且不易于模塊化。同時變壓器的匝數(shù)比也制約了電池組的容擴性，可擴展性差。

4) Buck-Boost變換器

Buck-Boost變換器均衡電路如圖6所示，在相鄰的兩節(jié)電池之間放置一個雙向Buck-Boost均衡模塊，通過控制開關(guān)實現(xiàn)電量在相鄰兩節(jié)電池間的傳遞。這種均衡電路控制簡單，均衡速度快，能量損耗小，擴展性好。但是能量只能在相鄰單體之間傳遞，當(dāng)兩節(jié)電池距離較遠(yuǎn)時，能量逐級傳遞，不僅增加了均衡時間，也降低了均衡效率[24]。

圖6 Buck-Boost變換器型均衡電路

5) Cúk變換器

Cúk變換器均衡電路如圖7所示，該電路可以實現(xiàn)相鄰兩節(jié)電池間的能量轉(zhuǎn)移。該電路在開啟均衡時均衡電流是連續(xù)工作的，具有更高的均衡速度[25]。

圖7 Cúk變換器型均衡電路

3.3 其他均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

近幾年，國內(nèi)外也提出了一些新型的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。Chol-Ho Kim提出了一種模塊化的均衡結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)88節(jié)電池的均衡管理，并通過2個單向的變換器實現(xiàn)了能量的雙向傳遞[26]。Chih-Chiang Hua使用2個變壓器交替工作，使均衡電流工作在一個連續(xù)的模式，提高了均衡速度[27]。同濟大學(xué)的戴海峰提出了一種新型的DC-DC變換器，通過開關(guān)矩陣選擇電池單體，將電量較高的單體能量轉(zhuǎn)移到整個電池組[28]。文獻[29]將軟開關(guān)技術(shù)使用在了均衡電路中，降低了開關(guān)損耗。

表1 均衡方法比較

4 均衡控制策略

均衡的控制策略是一個完整的均衡系統(tǒng)的重要組成部分。相對復(fù)雜的均衡電路會限制均衡速度、穩(wěn)定性和均衡效率的發(fā)展，為了解決這個問題必須在均衡策略上進行改進[30]。通過改進均衡策略可以提高均衡速度，降低能量損耗。

對于集中式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采取極值均衡法。找到串聯(lián)電池組中的最大值或最小值。通過對電量最高的電池單體放電或者對電量最低的電池單體充電的方式實現(xiàn)均衡[31]。該策略在一致性較差的情況下均衡速度慢且容易造成控制邏輯混亂。對于串聯(lián)型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只能對相鄰兩節(jié)電池進行均衡，所以一般采用差值比較法進行均衡控制。通過比較相鄰兩節(jié)電池的電壓并進行能量轉(zhuǎn)移。

電池使用過程中的狀態(tài)參數(shù)變化會影響均衡的速度，Z. Amjadi等人提出通過實時監(jiān)測電池組的狀態(tài)信息來控制PWM波的輸出，從而控制均衡電流，提高均衡速度[32]。模糊控制策略可以減少均衡時間[33]，PI控制可以有效地提高均衡的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[34]。文獻[35]提出的Fuzzy-PI控制方法結(jié)合了模糊控制和PI控制的優(yōu)點。文獻[36]則提出了通過控制PWM波的頻率來提高均衡速度。幾乎所有的控制策略都是一個基于電壓不一致性的PFM模型。

5 結(jié)語

綜上所述，串聯(lián)電池組均衡技術(shù)的研究目前已經(jīng)取得了長足的發(fā)展，但是在均衡衡量準(zhǔn)則以及均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上仍然存在需要改進的問題。

1) 在均衡衡量準(zhǔn)則上，對SOC進行均衡才能根本上保證各單體充放電深度的一致性，而在均衡過程中快速準(zhǔn)確地估算SOC也是均衡技術(shù)的一個難點。

2) 在均衡電路方面，現(xiàn)有的基本均衡技術(shù)都具有各自的優(yōu)勢，但也存在效率低、速度慢、成本高的問題，導(dǎo)致均衡能力不能夠達到最好(表1)。最佳的均衡電路的能量傳遞路徑必須是長串聯(lián)電池組中的任意兩個單體，均衡電流的傳輸節(jié)點盡可能的減少，體積小，成本低，且方便模塊更換與數(shù)量擴張。

3) 對于均衡控制策略，要求能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)均衡，自動調(diào)整均衡閥值和均衡策略，均衡精度高，能量轉(zhuǎn)換效率高，使用安全可靠。

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