基于落差式組合策略的串聯(lián)鋰離子電池組均衡方案

王敏旺，吳華偉，戈小中

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基于落差式組合策略的串聯(lián)鋰離子電池組均衡方案

王敏旺1,2，吳華偉1,2，戈小中3

（1湖北文理學(xué)院純電動汽車動力系統(tǒng)設(shè)計與測試湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441053；2湖北文理學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，湖北 襄陽 441053；3東風(fēng)襄陽旅行車有限公司，湖北 襄陽 441000）

為了提升飛渡電容式均衡方法的速度和效率，提出了建立電壓落差的充放電組合策略，分析了落差式組合策略與常規(guī)方案的工作過程，對比了二者均衡速度的差異，將均衡電路等效為完全響應(yīng)的RLC電路，通過公式推導(dǎo)及Matlab計算，分析了能量損失率與電路參數(shù)的關(guān)系，對比了不同充放電組合對均衡效率的影響。研究表明：落差式組合策略可顯著提升飛渡電容式均衡速度，并且可以通過優(yōu)化充放電組合，提升均衡效率。通過實驗對所提出的方案進行了分析與驗證，結(jié)果表明，該方法能有效解決電池組不均衡問題。

飛渡電容；組合式；均衡速度；均衡效率

電池組由相同規(guī)格型號的電池通過串、并聯(lián)的方式組合而成。生產(chǎn)及使用過程中單體電池的電壓、內(nèi)阻、電荷量等參數(shù)不能保證完全一致，極端情況下會出現(xiàn)個別電池失效而影響電池組性能的情況。 在電池行業(yè)沒有出現(xiàn)重大技術(shù)突破，容量和性能沒有明顯提高的情況下，針對性管理電池組中出現(xiàn)問題的少數(shù)電池，保證電池特性的一致性，是提高電池組使用壽命的關(guān)鍵。動力電池組均衡方法可以分為能量耗散型和非能量耗散型[1]，能量耗散型均衡主要以電阻式均衡為主[2]；非能量耗散型均衡主要有電容式均衡和直流變換式均衡，直流變換式均衡[3-5]是通過高頻變壓器將能量在電池間轉(zhuǎn)換，電容式均衡是通過中間電容將能量在電池間進行轉(zhuǎn)換。

電容均衡法具有成本低、體積小的優(yōu)點[6]，如圖1所示，可以分為開關(guān)電容式和飛渡電容式。開關(guān)電容式均衡不依賴電壓傳感器，控制簡單，但在高低壓電池相距較遠(yuǎn)時，均衡速度顯著變慢[7-8]；飛渡電容式均衡將電容在高低壓電池間進行并聯(lián)切換[9]，根據(jù)檢測到的單體電池電壓，針對性地對出現(xiàn)問題的電池進行均衡，均衡速度較開關(guān)電容式快。但在使用中，單體電池之間壓差較小及回路其它元器件電阻的原因，均衡過程中電容充電電壓較低，導(dǎo)致均衡速度仍不理想。文獻(xiàn)[10]在均衡回路增加電感，電池先與電感并聯(lián)向電感儲能，然后電池與電感電勢疊加一起向電容充電，接著電容再向電壓低的電池放電，提升了均衡速度。文獻(xiàn)[11]提出在飛渡電容和單體電池間增加雙向Buck-Boost變換器，可以保證較高且穩(wěn)定的電容充放電流，提升了均衡速度。

圖1 電容均衡法類型

目前，主要通過增加電感以提升充放電電壓差的方式來改進飛渡電容法均衡速度，這種方法使均衡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，增加了成本。本工作提出了一種基于落差式組合策略的均衡方法，在均衡回路中不增加儲能用電感等元件的前提下，通過調(diào)整充放電電池組合，提升電容充放電電壓差，可明顯改善飛渡電容法的均衡速度。為了提高均衡效率，分析了均衡回路中電容充放電壓差、電阻、電感、電容等參數(shù)，得出影響均衡效率的因素，為該方法的進一步優(yōu)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)概述

均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電池組、開關(guān)陣列、儲能元件、電壓檢測單元。工作時，通過開關(guān)陣列依次選通各個電池，由電壓檢測單元采集電壓，當(dāng)出現(xiàn)不均衡情況時，通過開關(guān)陣列切換需要充放電的電池組合，由儲能元件作為中繼單元實現(xiàn)能量的重新分配。

圖2 均衡系統(tǒng)原理

以電壓為均衡參數(shù)，充放電組合的基本含義為：充電組合中的電池電壓較高，通過與電容并聯(lián)將能量轉(zhuǎn)出；放電組合中的電池電壓較低，通過與電容并聯(lián)獲取能量。以圖3為例，描述落差式組合策略的基本工作過程。圖3(a)中，串聯(lián)的3節(jié)電池中B1電壓偏離，超出閥值。放電組合為（B2, B3），與電容并聯(lián)后電容電壓升至6.842 V。充電組合為（B1），電容再與B1并聯(lián)，電容電壓降至3.401 V。能量由高電壓的B2、B3轉(zhuǎn)移至低電壓的B1；圖3(b)中，串聯(lián)的5節(jié)電池中B1、B2電壓偏離，此時放電組合為（B3, B4, B5），先與電容并聯(lián)，電容電壓升至10.263 V。充電組合為（B1, B2），電容再與B1、B2并聯(lián)，電容電壓降至6.802 V。能量由高電壓的B3、B4、B5轉(zhuǎn)移至低電壓的B1、B2。選擇充放電組合時，放電組合比充電組合多一節(jié)電池，形成電壓落差。

面對圖3(a)的情況，傳統(tǒng)的飛渡電容均衡法工作過程為：電容先與B2并聯(lián)后再與B1并聯(lián)，將B2的能量轉(zhuǎn)移至B1。然后，電容與B3并聯(lián)后再與B1并聯(lián)，將B3的能量轉(zhuǎn)移至B1。循環(huán)工作，直至電池組達(dá)到均衡狀態(tài)，其電容每次充放電壓差為0.02 V。以圖3(a)為例，對比兩種方法單次轉(zhuǎn)移的能量，見表1。

圖3 充放電組合

表1 兩種方法轉(zhuǎn)移能量比較

充電組合包含2節(jié)電池，放電組合包含1節(jié)電池的情況簡稱為2對1方式。從表中可以看出，2對1方式單次轉(zhuǎn)移能量是1對1方式的258倍。電容的充放電速度由本身容量及回路電阻決定，在電阻和電容不變的情況下，單位時間內(nèi)電容充放電次數(shù)不變，單次轉(zhuǎn)移能量增多意味著單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)移能量增多，即2對1方式均衡速度是1對1方式的258倍。

通過對電池進行組合，保證放電組合比充電組合多1個電池，增加電容充放電壓差，可明顯提升飛渡電容法的均衡速度。放電組合可以比充電組合多2個或者更多個電池，形成更大的電壓落差，均衡速度變得更快，但均衡效率會下降。

2 均衡效率分析

均衡回路中的電容和電感為儲能元件不消耗能量，工作過程中，一部分能量在電池間轉(zhuǎn)移，還有一部分能量消耗在電阻上，以下討論系統(tǒng)參數(shù)變化對均衡效率的影響。

電容充放電回路可以簡化為RLC電路，如圖4所示。假設(shè)電容充放電過程中電池電壓不變，即等效為恒壓源B，為回路等效電阻。

圖4 等效電路

以圖3(a)中放電組合（B2, B3）給電容充電為例，等效RLC電路為完全響應(yīng)，電容電壓由C升至B，用二階微分方程描述

電容充放電過程中，應(yīng)加快充放電速度，減少損耗，避免LC振蕩。上述微分方程在過阻尼情況下的解為

其中

回路電流為

經(jīng)過時間1后，電阻耗能為

代入電流表達(dá)式，整理后得到

定義電容完成一次充電能量損失率為

則電容完成一次充電均衡效率為

圖5 R/L/C與電阻耗能的關(guān)系

圖5中電容初始電壓B與電池電壓C不變，積分時間1相同，LC無振蕩。圖5(a)為電阻大小與電阻耗能的關(guān)系，在電感和電容不變的情況下，電阻增加但電阻耗能不變，能量損失率不變；圖5(b)為電感大小與電阻耗能的關(guān)系，在電阻和電容不變的情況下，電感增加不會導(dǎo)致電阻耗能改變，能量損失率不變；圖5(c)為電容與電阻耗能的關(guān)系，電阻耗能隨電容增加而線性增大，可假設(shè)此時R=，代入能量損失率公式，在電感和電阻不變的情況下，電容變化而能量損失率不變。從電阻耗能公式可以得到，在//不變的情況下，電容充電電壓差（B?C）越大則電阻耗能越大。綜合以上分析，可假設(shè)

其中為常數(shù)，能量損失率可表示為

所以，在電路不發(fā)生振蕩的前提下，能量損失率與//參數(shù)無關(guān)，只與電容初始電壓和電池電壓相關(guān)。由式(9)可以得到兩個結(jié)論：①當(dāng)電容初始電壓和電池電壓的和一定時，二者落差越大能量損失率越大，均衡效率越低；②當(dāng)電容初始電壓和電池電壓的落差一定時，二者的和越大能量損失率越小，均衡效率越高。

以5節(jié)串聯(lián)電池為例，3對2方式與4對1方式進行比較，4對1方式均衡速度更快，但根據(jù)上述結(jié)論①可得，其均衡效率更低。所以，增加放電組合與充電組合相差電池數(shù)量，增加電壓落差，可以提升均衡速度，但均衡效率降低。3對2方式與2對1方式比較，均衡速度相同，根據(jù)上述結(jié)論②可得，3對2方式均衡效率更高。即在充放電組合電壓落差相同的情況下，通過增加充放電組合中的電池數(shù)量，可以提升均衡效率。

表2對比了電容電壓變化相同但充放電組合中電池數(shù)量不一樣時的能量損失率。表中電容電壓變化都為4 V，隨著充放電組合中電池數(shù)量增多，電容電壓升高，單次轉(zhuǎn)移能量增多，能量的損失率逐漸減小，均衡效率逐漸提升。

表2 均衡效率分析

放電組合比充電組合多1個電池，可以增加飛渡電容充放電壓差，提升均衡速度。如果繼續(xù)增加二者相差的電池數(shù)量，均衡速度提升的同時均衡效率會下降?？梢酝ㄟ^提升充放電組合中的電池數(shù)量，來提升均衡效率。電池組均衡過程中應(yīng)綜合考慮均衡速度和均衡效率，針對不同的狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整充放電組合，以最優(yōu)的方式完成均衡。

3 實驗驗證

使用4節(jié)三星ICR18650-26F電池串聯(lián)成組，開關(guān)選用2SK2054，N通道MOSFET，導(dǎo)通電阻小，開關(guān)特性好。在均衡電路中，MOSFET源極不直接接地，需要專門的驅(qū)動電路，選用專用驅(qū)動芯片IR2103，其帶有的自舉及電平轉(zhuǎn)換電路，可以簡化驅(qū)動電路設(shè)計，主要電路如圖6所示。電壓采集芯片選用TI公司的16位Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1100，5 V電源電壓時，分辨率為0.000152 V，可通過I2C總線與主控芯片通訊。主控芯片通過光耦間接控制IR2103及與ADS1100通訊，實現(xiàn)電氣隔離。電容的大小由回路等效電阻和MOSFET開關(guān)頻率共同決定，回路允許的峰值電流可以確定電感值。

表示電池狀態(tài)的參數(shù)有電壓、內(nèi)阻、SOC，文獻(xiàn)[12]分析了以電壓、SOC分別作為均衡變量時的優(yōu)缺點，理論上以SOC作為均衡變量可以保證單體電池剩余容量的一致性，但目前還沒有有效的方法可以保證SOC估算的精度和實時性，電壓便于測量且精度高，因此采用單體電池的電壓參數(shù)作為均衡變量。

圖6 MOSFET驅(qū)動電路

電池組均衡流程如圖7所示，當(dāng)檢測到單體電池間最大電壓差超過0.02 V，均衡系統(tǒng)開始工作。

圖7 工作流程

首先對最大電壓電池相鄰的電池充電，直至二者壓差小于0.01 V，然后由最大電壓電池和相鄰電池組成放電組合，對另外兩個電池分別進行充電，直至所有電池壓差小于0.01 V，均衡完成。

實驗結(jié)果如圖8所示，4塊電池的初始電壓分別為3.872 V、3.861 V、3.852 V、3.847 V。開始階段放電組合為（B3, B4），能量轉(zhuǎn)移至B2，B2電壓上升。隨后放電組合改變?yōu)椋˙1, B2），能量分別轉(zhuǎn)移至B3和B4，B3和B4電壓依次上升。在電池組開路狀態(tài)下，經(jīng)過10 min均衡，最大電壓差值小于0.01 V，達(dá)到了均衡狀態(tài)。

在圖8的均衡過程中，能量先轉(zhuǎn)移至B2，隨后B2的能量又轉(zhuǎn)移至B3、B4，這個往復(fù)的過程在電阻上會損失很多能量。以保證電容充放電一個電池壓差為目標(biāo)，可以有很多種充放電組合，例如在圖8中，首先放電組合為（B1,B2），能量轉(zhuǎn)移至B3和B4，當(dāng)B3和B4電壓值進入B1和B2電壓值區(qū)間以內(nèi)，判斷B1和B2壓差是否小于0.01 V，小于則完成均衡，大于則放電組合變?yōu)椋˙3, B4），對B2進行充電，如此循環(huán)，直至均衡。不同的充放電組合，完成均衡所需的電容充放電次數(shù)也不同。充放電次數(shù)越少，損失的能量也越少。系統(tǒng)優(yōu)化時還應(yīng)以充放電次數(shù)最少為目標(biāo)，調(diào)整充放電組合。

圖8 電池組均衡曲線

4 結(jié) 論

落差式組合策略不需要向電路中增加儲能電感等原件，保持了電容均衡法成本低、體積小的優(yōu)點，提升了飛渡電容法的均衡速度和均衡效率。有如下結(jié)論。

（1）充放電組合電壓落差越大，均衡速度越快，均衡效率越低。

（2）//的變化，不影響均衡效率。

（3）充放電組合中電池數(shù)量越多，均衡效率 越高。

這些結(jié)論說明此方法在大容量、串聯(lián)節(jié)數(shù)多的電池組均衡中具有優(yōu)勢，在此類型電池組應(yīng)用中，劃分的充放電組合相差電池數(shù)量可以更多，均衡速度更快；劃分的充放電組合中電池數(shù)量可以更多，均衡效率更高。實驗完成了4節(jié)串聯(lián)鋰電池的均衡，證實此方案有效，可用于實際工作中。

[1] 魯文凡, 呂帥帥, 倪紅軍, 等. 動力電池組均衡控制系統(tǒng)的研究進展[J]. 電源技術(shù), 2017, 41(1): 161-164.

LU W F, Lü S S, NI H J, et al. Research progress of equalization strategy system for power batteries[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2017, 41(1): 161-164.

[2] 徐順剛, 王金平, 許建平. 一種延長電動汽車蓄電池壽命的均衡充電控制策略[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(3): 43-48.

XU S G, WANG J P, XU J P. An equalizing charge control strategy to extend battery cycle life for electric vehicles[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(3): 43-48.

[3] 謝凱, 潘明, 張向文. 電動汽車動力電池主動均衡控制設(shè)計[J]. 計算機仿真, 2017, 34(6): 156-161.

XIE K, PAN M, ZhANG X W. Design of active equalization control for electric vehicle power battery[J]. Computer Simulation, 2017, 34(6): 156-161.

[4] 熊亮. 大功率鋰電池組多通道主動均衡技術(shù)研究[D]. 綿陽: 西南科技大學(xué), 2016.

XIONG L. Research on multichannel active equalization technology for high power lithium battery[D]. Mianyang: Southwest University of Science and Technology, 2016.

[5] 劉倩怡, 徐順剛, 許建平, 等. 一種基于推挽變換器的模塊化電池均衡電路[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2018(14): doi: 10.1959/j.cnki. 1000-6753.tces.170659.

LIU Q Y, XU S G, XU J P, et al. A modularized equalizer for series-connected batteries based on push-pull converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018(14): doi: 10.1959/j.cnki.1000-6753.tces.170659.

[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, 2014, 61(8): 3989-3999.

[7] 馮能蓮, 陳龍科, 湯杰. 串聯(lián)電池組電容式均衡系統(tǒng)研究[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報, 2016, 30(1): 1-6.

FENG N L, CHEN L K, TANG J. Study on capacitive equalizing system for series battery[J]. Journal of Chongqing Institute of Technology, 2016, 30(1): 1-6.

[8] 李泉, 周云山, 王建德, 等. 基于雙層準(zhǔn)諧振開關(guān)電容的鋰電池組均衡方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(21): 9-15.

LI Q, ZHOU Y S, WANG J D, et al. Equalization method of lithium battery pack based on double-tiered quasi-resonant switched capacitor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(21): 9-15.

[9] 逯仁貴, 王鐵成, 朱春波, 等. 基于飛渡電容的超級電容組動態(tài)均衡控制算法[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 2008, 40(9): 1421-1425.

LU R G, WANG T C, ZHU C B, et al. Dynamic equalization algorithm based on switched capacitor applied in super-capacitor stacks[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2008, 40(9): 1421-1425.

[10] 李仲興, 余峰, 郭麗娜. 電動汽車用鋰電池組均衡控制算法[J]. 電力電子技術(shù), 2011, 45(12): 54-56.

LI Z X, YU F, GUO L N. Lithium-ion batteries equalization algorithm of electric vehicle[J]. Power Electronics, 2011, 45(12): 54-56.

[11] 夏小東. 帶有升降壓變換器的飛渡電容式電池組均衡技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2011.

XIA X D. Research on battery equalization using flying capacitor with buck-boost converter[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011.

[12] 桂宇. 純電動汽車鋰動力電池組雙向均衡控制策略研究及系統(tǒng)開發(fā)[D]. 長春: 吉林大學(xué), 2014.

GUI Y. Research on bidirectional equalization strategy and system development for lithium-ion power battery pack of pure electric vehicle[D]. Changchun: Jilin University, 2014.

Equalization scheme for series connected Li-ion battery pack based on drop combination strategy

WANG Minwang1,2, WU Huawei1,2, GE Xiaozhong3

(1Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;2School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;3Dongfeng Xiangyangtouring Car Co. Ltd, Xiangyang 441000, Hubei, China)

In order to improve the speed and efficiency of the capacitive equalization method, a charge-discharge combination strategy for establishing voltage drop is proposed. The working process of the combination strategy and the conventional scheme is analyzed. The difference of equalization speed between the two schemes is compared. The equalization circuit is equivalent to the full-response RLC circuit. The relationship between energy loss rate and circuit parameters is analyzed by formula deduction and Matlab calculation. The effect of different charge-discharge combinations on equalization efficiency is compared. The results show that the drop combination strategy can significantly improve the speed of capacitive equalization, and the equalization efficiency can be improved by optimizing the charge-discharge combination. The proposed scheme is analyzed and verified by experiments. The results show that the method can effectively solve the problem of unbalanced battery pack.

flying-capacitor; combined type; equilibrium velocity; equilibrium efficiency

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0179

TM 912

A

2095-4239（2019）01-167-06

2018-09-05；

2018-09-28。

湖北省技術(shù)創(chuàng)新專項重大項目（2017AAA133），“機電汽車”湖北省優(yōu)勢特色學(xué)科群開放基金項目（XKQ2018002）。

王敏旺（1986—），男，碩士，助教，研究方向為新能源汽車電池組管理及驅(qū)動電機控制，E-mail：wmw.king@163.com。

吳華偉，副教授，研究方向為機電系統(tǒng)設(shè)計故障診斷與健康管理，E-mail：whw_xy@163.com。