基于可重構(gòu)電路的鋰電池組充電均衡研究*

于仲安 熊瑩燕

（江西理工大學(xué)，贛州 341000）

主題詞：鋰電池 可重構(gòu)均衡電路 Buck-Boost電路 均衡速度 能量轉(zhuǎn)移效率

1 前言

鋰電池因其自放電率低、放電電壓平緩和對環(huán)境友好而被廣泛應(yīng)用于新能源汽車。多節(jié)鋰電池串聯(lián)使用時，由于電池間電化學(xué)特性存在差異，加之溫度、電流等因素的影響，在電池組充電時，電池間容量、荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）差異會逐漸增大，進而使串聯(lián)電池組的容量不能充分使用，故需對串聯(lián)電池組進行均衡處理。

電池主動均衡利用電感、電容以及開關(guān)電路控制電荷在電池之間轉(zhuǎn)移。文獻[9]采用Buck-Boost 相鄰均衡控制電荷在電池之間轉(zhuǎn)移，改善了電池SOC的不一致性，但是電荷只能在相鄰電池間轉(zhuǎn)移，需要多次轉(zhuǎn)移才能使電池組達到均衡。文獻[10]對傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡進行改進，使得能量可以在非相鄰電池單體間傳遞，同時簡化了電路，提高了均衡速度和能量轉(zhuǎn)移效率。文獻[11]通過對電池組采用先串后并的排列方式，分3個層次用Buck-Boost 電路對電池組進行逐層均衡，極大地改善了電池SOC 的不一致狀態(tài)。但是文獻[10]和文獻[11]中的電荷在電池之間傳輸存在損耗，且損耗大小與電荷傳輸次數(shù)正相關(guān)。針對此問題，文獻[12]利用可重構(gòu)電路，通過開關(guān)控制電池接入或者隔離出電池組，改變電池單體的充放電時間，從而間接實現(xiàn)電池均衡，但是可重構(gòu)電路均衡速度緩慢，并且只能在電池組工作時進行均衡。

為了縮短均衡時間，同時減少能量損耗，本文在開關(guān)電感的Buck-Boost電路基礎(chǔ)上，結(jié)合可重構(gòu)電路設(shè)計可重構(gòu)Buck-Boost 均衡電路，并針對不同的電池SOC分布情況制定相應(yīng)的均衡策略，使其充分利用均衡電路結(jié)構(gòu)，同時基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型對該均衡拓?fù)浜途獠呗缘木庑阅苓M行測試。

2 電路均衡拓?fù)浼翱刂撇呗?/h2>

2.1 開關(guān)電感的Buck-Boost均衡電路

開關(guān)電感的Buck-Boost 均衡電路是在傳統(tǒng)Buck-Boost 電路基礎(chǔ)上改進得到的，不僅可以實現(xiàn)相鄰電池之間的均衡，也可以實現(xiàn)非相鄰任意電池之間的均衡，其電路結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，它利用電感的儲能作用將電能轉(zhuǎn)化為磁能存儲，實現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。圖1a 將串聯(lián)電池組分為層：第1層中電池兩兩一組進行組內(nèi)均衡，均衡完成后，在第2層將均衡后的2個電池視為整體，再次兩兩分組，進行組內(nèi)均衡，若當(dāng)前層電池組不能剛好湊成兩兩一組，則落單組不參與本層均衡，而在下一層參與均衡。同一層的2個相鄰組為一個均衡子電路。

圖1 開關(guān)電感的Buck-Boost電路

均衡子電路工作原理如圖1b 所示，電池模塊可以是電池單體，也可以是連續(xù)的電池串。以電池模塊1向電池模塊2轉(zhuǎn)移能量為例，其工作過程分為2個階段：開關(guān)K、K和金氧半場效晶體管（MOS管）Q導(dǎo)通時，電流如圖1b 中回路1 所示，此時電池模塊1 向電感充電；MOS 管Q關(guān)斷，開關(guān)K、K導(dǎo)通時，電流通過二極管D續(xù)流，回路如圖1b中回路2所示，此時電感向電池模塊2 充電。如此往復(fù)，通過控制開關(guān)的通斷，可實現(xiàn)電池模塊1和電池模塊2之間的均衡。均衡電路按照層次依次進行電池均衡，最終實現(xiàn)電池組的整體均衡。

2.2 可重構(gòu)電路

可重構(gòu)電路通過將電池接入或者隔離出電路的方式控制各電池的充放電時間，從而實現(xiàn)電池均衡，以4節(jié)串聯(lián)電池為例，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 可重構(gòu)電路結(jié)構(gòu)

假設(shè)4 節(jié)電池按SOC 由高到低依次編號為B、B、B、B，其充電均衡流程如圖3 所示。改變B、B和B的連接狀態(tài)，開關(guān)K、K、K斷開，開關(guān)K、K、K閉合，如圖3a 所示，此時B、B和B暫時被隔離出電路，B充電，直至B與B的荷電狀態(tài)相同時，B重新接入電池組，如圖3b 所示，而電池B和B仍處于被隔離狀態(tài)。直至B、B、B的荷電狀態(tài)相同時，B接入電池組，B被隔離，如圖3c所示。最后，B～B的荷電狀態(tài)相同時，B重新接入電池組。此時，電池組內(nèi)所有電池荷電狀態(tài)一致，所有電池同時充電。

圖3 可重構(gòu)電路充電均衡流程

由于可重構(gòu)均衡電路是通過控制電池的充電時間實現(xiàn)電池均衡的，不存在電池之間的能量轉(zhuǎn)移，所以幾乎沒有能量損耗，這也是傳統(tǒng)的主動均衡難以實現(xiàn)的目標(biāo)。

2.3 可重構(gòu)Buck-Boost均衡電路

為了在保證電池均衡速度的前提下，盡量縮短電荷轉(zhuǎn)移的路徑，減少能量損失，通過結(jié)合開關(guān)電感的Buck-Boost 均衡電路與可重構(gòu)均衡電路，設(shè)計可重構(gòu)Buck-Boost 均衡電路，結(jié)構(gòu)如圖4 所示，該電路在開關(guān)電感的Buck-Boost均衡電路的基礎(chǔ)上，通過在每個電池后串聯(lián)繼電器開關(guān)，使其在保持原有功能的基礎(chǔ)上，電池可以被隔離出電路。

圖4 可重構(gòu)Buck-Boost均衡電路

2.4 可重構(gòu)Buck-Boost充電均衡控制策略

均衡變量是表征電池不一致性的關(guān)鍵，可以選擇采用電壓或者SOC，由于電壓均衡容易受到內(nèi)阻不一致的影響而導(dǎo)致過均衡，所以本文選擇電池SOC作為均衡變量。

為了更好地發(fā)揮可重構(gòu)電路與Buck-Boost電路各自的優(yōu)勢，需要在不同的SOC分布情況下采用對應(yīng)的均衡策略。假設(shè)電池組由個電池單體串聯(lián)而成，存在5種工況。

2.4.1 工況1

分別用、表示電池組中單體最高、最低荷電狀態(tài)。當(dāng)電池組兩端中任意一端的電池單體SOC過高，而其他電池SOC 相差不大時，即=或=，且-＞5%，|-S|＜5%,≠max時，均衡步驟如下：

a.將SOC 最高的電池隔離，其余(-1)個電池單體按照開關(guān)電感的Buck-Boost均衡電路進行均衡。

b.檢測其余(-1)個電池單體的SOC 是否一致，若一致，則繼續(xù)充電；否則返回步驟a。

c.當(dāng)-＜0.2%時，停止均衡。

2.4.2 工況2

||＞5%，且|-S|＜0.2%,=2,3,4,…,-1，=，=時：將電池組分為3組，分別是C、C、C，其中C為SOC最大的電池單體，C由SOC最小的電池單體及其相鄰的電池單體組成，C為剩余的電池組，3 組電池的SOC 為其組內(nèi)單體的平均SOC，接著采取以下步驟進行均衡：

a.將C隔離，C內(nèi)部通過Buck-Boost 電路進行相鄰電池間的均衡。

b.檢測C內(nèi)部SOC是否一致，若一致且C的SOC與C的SOC 不相等時，電池組通過可重構(gòu)電路進行均衡，否則轉(zhuǎn)到步驟d。

c.當(dāng)-＜0.2%時，停止均衡。

d.檢測C的SOC 是否等于C的SOC，若相等，則隔離C和C，否則返回步驟a。

2.4.3 工況3

電池組兩端的單體SOC明顯高于其余單體SOC，且兩端的電池SOC相差不大，其余電池單體的SOC 一致，即同時滿足：

a.=或=。

b.-＞5%。

c.||≤5%。

d.|-S|＜0.2%,=2,3,4,…,-1。

此時將電池組分為3組，分別是C、C、C，其中C為電池SOC最高的電池單體，C為電池SOC最低的電池單體，C為剩余的電池組，接著通過控制開關(guān)將這3組電池隔離出或者接入電池組，從而實現(xiàn)C、C、C之間的均衡。

2.4.4 工況4

在電池B,B,B,…,B（為整數(shù)且3-2∈[-3,]）中，任意（∈[1,]）個電池單體的SOC偏高，其余電池單體相差不大，即-＞5%，|-|≤5%（∈[2,]且≠3-2）時，采取以下步驟進行均衡：

a.以B,B,B,…,B為節(jié)點將電池組分為組，將B,B,B,…,B隔離，其余電池單體之間通過Buck-Boost電路進行均衡。

b.檢測相互均衡電池之間SOC 是否一致，若一致，則繼續(xù)步驟c，否則返回步驟a。

c.電池組通過可重構(gòu)電路進行均衡。

d.當(dāng)-＜0.2%時，停止均衡。

2.4.5 工況5

除上述4種工況外，其他工況按照以下步驟進行均衡：

a.按照2.1 節(jié)中的方式將串聯(lián)電池組分層，直到電池組被分為3 組或4 組，停止分層，并記錄下層級數(shù)，前層通過Buck-Boost電路進行均衡。

b.判斷第層電池的組數(shù)，若電池組被分為3組，繼續(xù)執(zhí)行，若電池組被分為4組，則進入情形2。

c.設(shè)3組電池分別為C、C、C，并將3組電池按照SOC 的大小排序，若C＞C且C＞C，則轉(zhuǎn)到情形2，若C＞C＞C或C＞C＞C，則轉(zhuǎn)到情形1。

情形1：隔離SOC最高的一組電池，其余2組電池通過Buck-Boost進行均衡，實時檢測各組SOC，若C的SOC等于C的SOC或C的SOC等于C的SOC則轉(zhuǎn)到情形2。

情形2：當(dāng)-＜0.2%時，停止均衡，否則，繼續(xù)按照Buck-Boost電路進行均衡。

d.當(dāng)所有電池單體的SOC一致時，停止均衡。

電池組的均衡控制流程如圖5所示。

圖5 均衡控制流程

3 對比分析

在均衡過程中，電路損耗是導(dǎo)致均衡電路效率低的主要因素，其中包括開關(guān)損耗、電感損耗等，并且在能量多次轉(zhuǎn)移時，能量損耗呈指數(shù)上升。能量轉(zhuǎn)移效率的計算公式為：

式中，為低能量電池達到均衡時所吸收的能量；為高能量電池達到均衡時所釋放的能量。

電池整組的能量損耗隨著電荷轉(zhuǎn)移的次數(shù)的增加呈指數(shù)上升：

本文所設(shè)計的均衡電路可以通過減少電池之間的電荷轉(zhuǎn)移次數(shù)來減少能量損耗。

表1從均衡電路的開關(guān)數(shù)量、均衡速度、能量轉(zhuǎn)移效率方面將本文設(shè)計的電路與Buck-Boost電路、開關(guān)電感的Buck-Boost 均衡電路進行了對比。與Buck-Boost 均衡電路相比較，本文拓?fù)涞腗OS管的數(shù)量更少，增加的繼電器更容易控制，能夠更好地實現(xiàn)物理斷路，提高電路的可靠性。與開關(guān)電感的Buck-Boost均衡電路相比較，本文拓?fù)淇梢詼p少電荷轉(zhuǎn)移路徑數(shù)量，有利于減少能量在傳輸過程中的損耗，提高均衡速度與能量轉(zhuǎn)移效率。

表1 不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比

4 仿真與結(jié)果分析

基于MATLAB/Simulink 建立均衡電路仿真模型，將6 節(jié)鋰電池串聯(lián)連接，其中鋰電池模型為MATLAB提供的電池（Battery）模塊，標(biāo)稱電壓為7.2 V，容量為5.4 mA·h，電感設(shè)置為0.1 H，脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比設(shè)置為50%，MOS 管的內(nèi)阻為10 mΩ，二極管的正向壓降為0.8 V。

4.1 不同工況下的充電均衡仿真結(jié)果

將6 節(jié)電池串聯(lián)，在不同工況下進行充電，各工況下的電池初始SOC 分布情況如表2 所示，2 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下均衡充電時SOC變化情況如圖6～圖10所示。

表2 不同工況下電池初始SOC分布

圖6 工況1下均衡充電SOC變化情況

圖7 工況2下均衡充電SOC變化情況

圖8 工況3下均衡充電SOC變化情況

圖9 工況4下均衡充電SOC變化情況

圖10 工況5下均衡充電SOC變化情況

4.2 不同工況下的充電均衡仿真結(jié)果分析

由仿真結(jié)果可以得到在不同工況下2 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均衡時間、能量轉(zhuǎn)移效率及充電時間，如表3所示。

表3 不同工況下的均衡充電仿真結(jié)果對比

由表3可知：本文所設(shè)計的可重構(gòu)Buck-Boost電路的能量轉(zhuǎn)移效率與開關(guān)電感的Buck-Boost 電路相比明顯提高，在不同工況下平均提高了19.0%；在均衡時間上，工況1 縮短了27.1%，工況2 與原電路時間相當(dāng)，工況3～工況5 分別縮短了37.1%、19.9%和43.1%，均衡速度平均提高了25.4%。

由以上仿真結(jié)果可知，本文所提出的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及均衡策略雖然稍微延長了整組電池的充電時間，但是大幅縮短了均衡時間，提高了能量轉(zhuǎn)移效率，充分發(fā)揮了可重構(gòu)電路以及開關(guān)電感的Buck-Boost 電路的優(yōu)勢，能夠在保證均衡速度的基礎(chǔ)上，減少電荷轉(zhuǎn)移的路徑，從而減少能量損失。

5 結(jié)束語

本文針對電池組充電過程中電池SOC 不一致的問題，結(jié)合開關(guān)電感的Buck-Boost 電路和可重構(gòu)電路，設(shè)計了可重構(gòu)Buck-Boost電路，提出了5種工況下的均衡策略，仿真結(jié)果表明，相比于開關(guān)電感的Buck-Boost 電路，所提出的均衡拓?fù)浜途獠呗阅軌蚋斓貙崿F(xiàn)電池均衡，并大幅提高能量轉(zhuǎn)移效率。