基于可重構(gòu)電池的穩(wěn)壓及均衡方法研究

廖 力，綦藝博，紀(jì) 鋒

(1.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；2.武漢中原長(zhǎng)江科技發(fā)展有限公司，湖北武漢 430090)

鋰離子電池因其優(yōu)良的性能被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車及儲(chǔ)能系統(tǒng)[1-2]。在日常的應(yīng)用中，我們通常需要將大量性能參數(shù)盡可能相同的單體電池進(jìn)行串聯(lián)連接來(lái)獲取更高的電壓及功率[3]。但由于制造工藝的差別以及電池本身的特性，電池單元之間仍然會(huì)存在差異，這種差異可能導(dǎo)致過(guò)充或過(guò)放、容量衰減、安全等問(wèn)題[4]。因此，電池組均衡對(duì)延長(zhǎng)電池使用壽命有重要意義。均衡方式根據(jù)對(duì)能量的處理方式不同可分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。被動(dòng)均衡是通過(guò)并接電阻來(lái)耗散掉電池組中SOC較高的電池單體的多余能量，而主動(dòng)均衡則是通過(guò)儲(chǔ)能元件使能量在電池間傳遞[5]。董亮等[6]以電壓為均衡變量并利用非隔離式均衡電路改善了電池組的一致性。此外，Song 等[7]介紹了可重構(gòu)電池的電路拓?fù)溲芯繝顩r，Bouchhima 等[8]在文獻(xiàn)中提出了一種有效的可重構(gòu)電池解決方案，但由于可重構(gòu)電池的工作原理及放電時(shí)電壓下降的原因，其輸出電壓相對(duì)不穩(wěn)定。例如，NCM 鋰離子電池的電壓范圍為3.0～4.2 V，如果負(fù)載串聯(lián)供電的電池越多，則負(fù)載的電壓范圍就越大。

為解決上述問(wèn)題通常會(huì)在電路中加上變換器。如圖1(a)所示，可重構(gòu)電池和其他均衡電路需要連接到DC/DC 轉(zhuǎn)換器以保持電池組的電壓。如圖1(b)所示，EINHORN 等[9]提出為每個(gè)電池單元都配對(duì)一個(gè)DC/DC 拓?fù)?，電池單元串?lián)連接，而功率轉(zhuǎn)換器并聯(lián)連接到每個(gè)電池單元。如圖1(c)所示，Huang 等[10]提出了一種電池和DC/DC 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成一個(gè)功率單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以通過(guò)改變電池串/并聯(lián)的連接方式來(lái)獲得所需的電壓。

圖1 不同DC/DC 變換器可重構(gòu)電池拓?fù)?/p>

雖然使用DC/DC 轉(zhuǎn)換器相對(duì)簡(jiǎn)單，但是存在控制復(fù)雜和能量損失等缺點(diǎn)。為了在沒(méi)有DC/DC 轉(zhuǎn)換器的情況下保持電池組的電壓穩(wěn)定，本文基于可重構(gòu)電池，提出了一種無(wú)DC/DC 變換器新型可重構(gòu)均衡電路，并提出一種控制策略。通過(guò)Matlab/Simulink 仿真驗(yàn)證在未使用DC/DC 變換器的情況下，所提出的電路能否在實(shí)現(xiàn)電池組電壓穩(wěn)定的同時(shí)降低電池組的不一致性。

1 均衡拓?fù)浼胺治?/h2>

1.1 可重構(gòu)電路原理分析

本節(jié)簡(jiǎn)要介紹可重構(gòu)電池的工作原理。如圖2 所示，可重構(gòu)電池由n個(gè)電池及2n個(gè)開(kāi)關(guān)組成。每個(gè)電池配對(duì)兩個(gè)開(kāi)關(guān)且其狀態(tài)互斥。通過(guò)改變電池連接和斷開(kāi)的狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的均衡。

圖2 可重構(gòu)電池拓?fù)?/p>

下面將通過(guò)圖3 來(lái)介紹可重構(gòu)電池的均衡過(guò)程。如圖3(a)所示，假設(shè)電池在放電條件下，cell1的SOC最低、cell2的SOC較低、cell3到celln的SOC最高且相同。此處，忽略cell3到celln的低不一致性所帶來(lái)的微小誤差，默認(rèn)cell3到celln的SOC均相同。如圖3(b)所示，cell1和cell2因?yàn)镾OC較低，所以被旁路。此時(shí)開(kāi)關(guān)S11、S21關(guān)閉；S12、S22閉合，電池組由cell3到celln連接放電。直到電池組放電至如圖3(c)所示，cell3的SOC與cell2相等時(shí)，cell2才被連接放電。同理如圖3(d)所示，當(dāng)cell2到celln的SOC降低至與cell1的SOC相同時(shí)，所有電池一起放電。

圖3 可重構(gòu)電池均衡圖

由上述的均衡過(guò)程可知，可重構(gòu)電池的均衡原理是通過(guò)讓電池組中SOC較高的電池放電，并減少SOC較低電池的放電時(shí)間來(lái)對(duì)電池組進(jìn)行均衡。同理，在電池組充電的時(shí)候，通過(guò)減少SOC較高的電池的充電時(shí)間來(lái)達(dá)到均衡目的。

1.2 本文提出的均衡拓?fù)浼胺治?/h3>

如圖4 所示為本文所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與圖2 所示的可重構(gòu)電池拓?fù)湎啾?，僅僅改變了電池組中電池的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而未改變其電池?cái)?shù)量。

圖4 本文提出的拓?fù)?/p>

如圖5 所示，我們將分析本文所提出的拓?fù)渑c帶有DC/DC 變換器的可重構(gòu)電池拓?fù)渲g的區(qū)別及特點(diǎn)。假設(shè)電池組由60 個(gè)電池組成。如圖5(a)所示，當(dāng)DC/DC 變換器可以實(shí)現(xiàn)3 倍的電壓轉(zhuǎn)換時(shí)，如圖5(b)所示，本文提出的拓?fù)湫枰B接90 個(gè)電池單元，即90S1P。為了獲得更高的電壓，需要將圖5(a)中并聯(lián)的60 電池串聯(lián)連接。

圖5 90個(gè)電池的兩種連接方式

如果負(fù)載的所需功率是P，則由圖5(a)和(b)中的每個(gè)電池提供的電流I1和I2分別如式(1)和式(2)所示：

式中：η 為DC/DC 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率，0<η<1；Ucell為電池單體電壓。假設(shè)所有電池的電壓是相同的，則由式(1)和式(2)可知，圖5(b)中每個(gè)電池的電流是圖5(a)中電流的η 倍。因?yàn)镈C/DC 轉(zhuǎn)換器存在功率損耗，所以電池組需要額外提供[(1-η)×P]的功率以滿足負(fù)載的功率需要。

雖然所提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只是改變了電池的連接方式，但從上面的分析可以看出，這對(duì)電池組的性能影響很小。而且，當(dāng)電池組放電至接近截止電壓時(shí)，本文提出的拓?fù)渫ǔ⑺须姵匾黄鸸╇?。但在一般情況下，一些電池不向負(fù)載供電。假設(shè)SOC為100%，圖5(a)由90 個(gè)電池供電(電池組電壓為270 V)，則本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅需64 個(gè)電池供電(64×4.2=268.8 V)。電池組能提供的最大功率僅為圖5(a)的71.1%(64/90)。但是由于電池組均由90 個(gè)電池組成，所以兩者所能提供的總能量是相同的。

因此，當(dāng)電池組提供的電壓具有一定的冗余度時(shí)，本文提出的拓?fù)淠軌蚋玫貪M足帶有DC/DC 變換器的可重構(gòu)電池的要求，且不用考慮DC/DC 變換器的能耗問(wèn)題。但當(dāng)負(fù)載所需的電壓較高時(shí)，使用DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以更好地提高電壓匹配精度。

2 穩(wěn)壓原理及控制策略

2.1 穩(wěn)壓原理

為了將電池組的電壓穩(wěn)定在270 V(見(jiàn)圖6)，電池組由90個(gè)串聯(lián)的電池單元組成。假設(shè)它們一致性很高，電壓差別非常小可忽略，默認(rèn)每個(gè)電池電壓相同，設(shè)置四種不同電壓等級(jí)的電壓，分別為：3.9、3.6、3.3 和3.0 V。在圖6 中，電池組的供電電壓與所構(gòu)成的單體電池電壓及其個(gè)數(shù)有關(guān)。

圖6 拓?fù)涞姆€(wěn)壓原理

由于電池組中所有電池的電壓是相同的，所以為了維持電壓，僅需要將其中的cell1到cellm連接起來(lái)放電，旁路掉cellm到cell90即可。本文提出的拓?fù)湫枰?lián)n個(gè)電池，如式(3)所示。

式中：n為本文拓?fù)湟蟠?lián)的電池?cái)?shù)量；Uo為電池組目標(biāo)電壓；U_dis為電池放電截止電壓。

圖6 所示穩(wěn)壓原理圖的電池組的電壓如表1 所示。

表1 電池組電壓與放電電池?cái)?shù)量關(guān)系

從表1 可知，由于每個(gè)電池電壓一樣，當(dāng)電池電壓為3.9 V 時(shí)，僅需69 個(gè)電池為負(fù)載供電即可，其余電池均處于旁路狀態(tài)。以此類推，在其他3 個(gè)不同單體電壓的情況下，只需在滿足目標(biāo)電壓要求的情況下選擇對(duì)應(yīng)個(gè)數(shù)的電池連接，剩下的電池?cái)嚅_(kāi)連接即可。

2.2 控制策略

本節(jié)在實(shí)現(xiàn)電池組電壓穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，為了更好地改善電池組中電池的不一致性，提出一種均衡控制策略，并通過(guò)圖7 所示的控制流程和圖8 所示的均衡過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖7 控制流程圖

圖8 基于所提出電路的控制策略

如圖7 所示，控制流程圖中的供電電池組指的是被連接放電的電池所組成的電池組，而旁路電池組是指電池組中除了供電電池組以外的被斷開(kāi)連接放電的電池所組成的電池組。

如圖8 所示，假設(shè)電池組放電，電池組中初始SOC分布狀態(tài)為：cell1至cell3的SOC相同且最高；cell4和cell5的SOC相同且中等；cell6至cell8的SOC相同且最低。

如圖8(a)所示，假設(shè)cell1至cell5能夠達(dá)到電池組的電壓要求，則cell1至cell5串聯(lián)連接供電，cell6到cell8被旁路。

放電一段時(shí)間后[如圖8(b)所示]，cell6(cell7)與cell5(cell4)的SOC的差值滿足式(4)并達(dá)到所設(shè)定的條件(圖7 中所示的第一判斷條件)，此時(shí)，圖7 中的第一判斷條件為真，cell6和cell7代替cell4和cell5進(jìn)行供電[如圖8(c)所示]。

式中：SOCset為判斷電池是否連接放電的閾值。

類似地，如圖8(d)所示，在繼續(xù)放電一段時(shí)間后，cell8與cell6的SOC差值達(dá)到設(shè)定閾值，cell6被旁路而cell8連接到電池組。此時(shí)旁路電池組由cell4、cell5及cell6組成。

如圖8(e)所示，假設(shè)額外連接到電池組的cell4能夠使電池組的電壓更接近設(shè)定電壓(滿足圖6 中的第二個(gè)判斷條件)，則將cell4連接到電池組供電。

經(jīng)過(guò)圖7 和圖8 的分析，隨著電池組放電的進(jìn)行，電池組的SOC一致性顯著提高[如圖8(e)所示]。這是因?yàn)榭芍貥?gòu)電池的特點(diǎn)：電池組中SOC較高的電池持續(xù)放電，而SOC較低的電池被連續(xù)替換。但與傳統(tǒng)的可重構(gòu)電池相比[參考式(3)]，因?yàn)榇?lián)了額外的電池，所以當(dāng)供電電池組中SOC較低的電池單元被斷開(kāi)連接時(shí)，旁路電池組中具有較高SOC的電池單元可以替換SOC較低的電池進(jìn)行供電，從而使電池組的電壓保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

3 仿真結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提出的均衡方案的可行性，在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上進(jìn)行模型的搭建并進(jìn)行仿真。電池組由9 個(gè)鋰離子電池組成，每個(gè)電池單體的容量和標(biāo)稱電壓分別設(shè)置為2.2 Ah 和3.7 V。

用于仿真的9 個(gè)電池的初始SOC值設(shè)置如表2 所示。

表2 9 個(gè)電池的初始SOC 值

3.1 電池均衡與電壓性能

根據(jù)文中所提出的拓?fù)?、均衡策略，以及電池組性能，設(shè)定電池組的目標(biāo)電壓值為Uo=28 V，并且為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓及考慮電池組的一致性，設(shè)定均衡閾值為SOCset=2%。圖9(a)和圖9(b)分別為電池組各單體的SOC和電池組的電壓隨時(shí)間的變化曲線。

如圖9(a)所示，在0 s時(shí)，cell1到cell7因?yàn)闈M足放電條件，連接在一起開(kāi)始供電。而cell8和cell9由于較低的SOC而被斷開(kāi)連接，此時(shí)由cell1至cell7提供的電壓約為25.97 V，接近28 V。在約530 s時(shí)，cell8(被斷開(kāi)連接的電池組中最高的荷電狀態(tài))比cell7(供電電池組中最低的荷電狀態(tài))高2%(SOCset)，cell7被斷開(kāi)連接，而cell8被連接供電。由于cell7和cell8的SOC相差較小，所以此時(shí)電池組的電壓變化很小。在大約1 224 s 時(shí)，電池組有8個(gè)電池供電，電池組的電壓上升到大約29.67 V。如圖9(b)所示，因?yàn)榕c7 個(gè)電池相比，8 個(gè)電池串聯(lián)時(shí)電池組的電壓更接近28 V，所以在約1 224 s 將cell5重新連接至電池組放電。整個(gè)過(guò)程從0 s 開(kāi)始到1 400 s 結(jié)束，最大的輸出電壓波動(dòng)為2.03 V，電池組的SOC差異度由0.95%降低到0.58%。

圖9 本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SOC及電壓變化

3.2 可重構(gòu)電池仿真

為了便于比較，對(duì)可重構(gòu)電池進(jìn)行了仿真，可重構(gòu)電池的荷電狀態(tài)(SOC)和輸出電壓分別如圖10(a)和圖10(b)所示。

圖10 傳統(tǒng)可重構(gòu)拓?fù)涞腟OC及輸出電壓

在圖10(a)中，電池組在0 s 后開(kāi)始均衡，因?yàn)閏ell7至cell9的SOC較低，所以將其斷開(kāi)連接。在0～403 s 期間，只有cell1至cell6放電。如圖10(b)所示，電池組的電壓約為22.25 V。在約403 s 時(shí)，cell7至cell9的SOC達(dá)到設(shè)定條件，cell7至cell9連接到電池組供電，而cell4至cell6被斷開(kāi)連接。圖10(a)中，直到大約630 s 時(shí)，9 個(gè)電池的SOC趨于一致，cell4到cell6又重新連接到電池組進(jìn)行供電，此時(shí)電池組的電壓約為33.34 V。在此過(guò)程中，最大的輸出電壓波動(dòng)為5.75 V，比所提出拓?fù)涞淖畲箅妷翰▌?dòng)值還要大3.72 V。

如圖10(a)所示，可重構(gòu)電池組的SOC范圍從0 s 時(shí)的2.5%減小到630 s 時(shí)的0.64%，與如圖9(b)所示的電池組SOC范圍從0 s 時(shí)的2.5%減小到1 400 s 時(shí)的1.69%相比，可重構(gòu)電池較好地降低了電池組的不一致性。這是由于在旁路電池時(shí)必須考慮電池組的電壓，可重構(gòu)電池旁路了3 個(gè)電池[圖10(a)]，本文提出的拓?fù)渑月妨? 個(gè)電池[圖9(a)]。由此可見(jiàn)，本文所提出的拓?fù)浔慌月返碾姵財(cái)?shù)量有限，且其均衡過(guò)程不同于可重構(gòu)電池。

因?yàn)楸疚奶岢龅氖腔诳芍貥?gòu)電池的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，所以其具有可重構(gòu)電池的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。但是，如圖9(b)和圖10(b)所示，當(dāng)電池組放電時(shí)，與可重構(gòu)電池相比，本文所提出的均衡拓?fù)浼翱刂撇呗猿浞挚紤]電壓隨SOC變化而變化以及部分電池被旁路的情況，能夠更好地在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的同時(shí)降低電池組的不一致性。

4 結(jié)論

本文提出了一種無(wú)DC/DC 變換器的新型可重構(gòu)電池拓?fù)浼翱刂撇呗?，通過(guò)開(kāi)關(guān)控制電池組中各單體電池的連接狀態(tài)，不僅能使電池組的輸出電壓在電池放電過(guò)程中保持在設(shè)定范圍內(nèi)，而且還能提高電池組的一致性。使用Matlab/Simulink 搭建仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明所提出的拓?fù)浼翱刂品椒尚杏行?。此外，均衡閾?SOCset)的取值與均衡系統(tǒng)的性能有關(guān)，為了更好地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓及均衡目標(biāo)，可以根據(jù)具體要求合理調(diào)整均衡閾值。