基于Buck?Boost電路與相對極差策略的鋰電池組分層均衡技術(shù)研究

摘" 要： 針對串聯(lián)鋰電池組均衡過程中出現(xiàn)的均衡速度慢、能量轉(zhuǎn)移效率低等問題，提出一種基于Buck?Boost電路的分層均衡拓撲結(jié)構(gòu)，以各單體電池的荷電狀態(tài)（SOC）作為均衡變量，采用相對極差法的均衡控制策略以實現(xiàn)各層均衡單元的同步均衡。首先闡述了改進后均衡拓撲的整體結(jié)構(gòu)以及分層分組的方法、最小均衡單元的均衡原理以及均衡過程中相關(guān)參數(shù)的計算過程；之后根據(jù)所設(shè)計的分層拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計了與其相適應(yīng)的均衡控制策略；最后在Matlab/Simulink中分別搭建了不同拓撲下的仿真模型并進行了均衡仿真驗證。仿真結(jié)果表明，在8節(jié)電池與9節(jié)電池的不同情況下與傳統(tǒng)單層均衡拓撲相比，文中所提出的采用相對極差控制策略的分層均衡拓撲結(jié)構(gòu)在均衡速度上分別提高了86.06%和84.21%，在能量轉(zhuǎn)移效率上分別提高了3.3%和4.22%，驗證了所提均衡拓撲以及均衡策略的有效性。

關(guān)鍵詞： Buck?Boost電路； 鋰離子電池； 分層主動均衡； 相對極差； 能量轉(zhuǎn)移效率； 均衡速度

中圖分類號： TN609?34； TM91" " " " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）19?0169?06

Lithium battery pack hierarchical equalization technology

based on buck?boost circuit and relative range strategy

WEI Yewen1， 2， LI Yibo1， LIU Jiou1， QIU Tianyi1

（1. College of Electrical Engineering and New Energy， China Three Gorges University， Yichang 443002， China;

2. Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid， China Three Gorges University， Yichang 443002， China）

Abstract： In view of the slow equalization speed and low energy transfer efficiency in the equalization process of series?connected lithium battery packs， a hierarchical equalization topology based on the buck?boost circuit is proposed. In this topology， the state of charge （SOC） of each single cell is taken as the equalization variable， and the equalization control strategy of the relative range method is adopted to achieve the simultaneous equalization of the equalization units in each layer. The overall structure of the improved equalization topology and the method of stratified grouping， the equalization principle of the smallest equalization unit， and the calculation process of the relevant parameters in the equalization process are described， and then the equalization control strategy is designed according to the designed stratified topology. The simulation models of different topologies are constructed in Matlab/Simulink and the equalization simulation verification is carried out. In comparison with the traditional single?layer equalization topology， the equalization speed of the proposed hierarchical equalization topology with relative range control strategy is improved by 86.06% and 84.21%， respectively， and its energy transfer efficiency is improved by 3.3% and 4.22%， respectively， in the different cases of 8 cells and 9 cells. To sum up， the effectiveness of the proposed equalization topology and the equalization strategy are verified.

Keywords： buck?boost circuit; lithium?ion battery; hierarchical active equalization; relative range; energy transfer efficiency; equalization speed

0" 引" 言

隨著國家“雙碳”目標的提出，構(gòu)建清潔高效的能源架構(gòu)，保證能源的可持續(xù)發(fā)展已成為當今世界各國共同努力的方向，在此背景下，風能、太陽能等清潔可再生能源迅速發(fā)展，并成為目前主要的發(fā)電方式，但由于其存在間歇性，若直接并入電網(wǎng)會影響電網(wǎng)的安全可靠運行。而大規(guī)模的電池儲能技術(shù)則能很好地解決上述新能源發(fā)電的間歇性和隨機性問題，更好地消納新能源，保證電網(wǎng)的安全可靠運行[1]。

鋰電池憑借其高功率、高能量密度、使用壽命長的特性成為目前廣泛應(yīng)用的儲能電池，但由于電池制作工藝的差異以及不同使用環(huán)境對于電池性能的影響，導(dǎo)致電池組中的單體電池在容量、阻抗等方面出現(xiàn)差異，而這種差異會隨著使用周期的變長而逐漸增大，長期如此不僅會導(dǎo)致單體電池組使用的性能下降，減少電池壽命，甚至會造成電池組起火爆炸。為減少電池組的不一致性，提高電池組壽命和能量利用率，引入電池均衡技術(shù)。

目前，電池均衡技術(shù)按照是否消耗能量可將均衡電路分為兩種類型，一種是能量耗散型（被動均衡），另一種是能量非耗散型（主動均衡）。被動均衡是指將電池能量高的電池通過旁路電阻耗散掉從而達到均衡的目的，這種均衡模式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但存在著能量利用率低、熱管理困難等缺陷[2]。其中文獻[3]提出利用MOS管作為旁路開關(guān)，每個單體電池都有一個串聯(lián)開關(guān)和并聯(lián)開關(guān)的均衡拓撲結(jié)構(gòu)，不僅會造成嚴重的開關(guān)損耗，大量的開關(guān)器件與單體電池之間的串聯(lián)還會導(dǎo)致電池組的供電可靠性下降。

近年來，主動均衡以其出色的性能成為均衡技術(shù)研究的熱點。它通過借助電感、電容等儲能元件，將電池中高能量的電量轉(zhuǎn)移到低能量的電池中。根據(jù)所使用的儲能元件的不同，可以分為電容式、電感式、變壓器式和電力變換器式均衡電路。電容型均衡電路體積小，易于控制，但其精度較低，均衡時間長且均衡目標只能是電壓，存在一定的局限性[4]。電感型均衡電路不受電壓差的影響，同時相比于電容型均衡電路有較高的均衡精度，但其往往伴隨著較大的開關(guān)陣列，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制過程復(fù)雜，可靠性低[5]。基于變壓器的均衡拓撲具有均衡效率高、控制簡單，且易于隔離的優(yōu)點，以及均衡過程中變壓器的型號對均衡效果的影響較大，不同的電池組需要單獨設(shè)計不同的變壓器，導(dǎo)致變壓器型均衡拓撲的通用性較差的缺陷[6]。文獻[7]中提出的基于開關(guān)電感的Buck?Boost型電路，可實現(xiàn)電池之間的任意組合均衡，但均衡過程中會造成較大的開關(guān)損耗，使得能量利用率低。文獻[8]所提出的分層式均衡拓撲結(jié)構(gòu)采用了電感以及反激式變壓器，可實現(xiàn)任意電池間的能量傳輸，但是成本高且控制復(fù)雜。

為解決現(xiàn)有拓撲中存在的均衡速度慢、均衡開關(guān)數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，本文以Buck?Boost電路為基礎(chǔ)均衡單元，以電池的SOC為均衡目標，提出了基于Buck?Boost電路的分層均衡拓撲，采用相對極差法的均衡控制策略對電池組進行分層同步均衡，最終在Matlab中搭建了8節(jié)電池和9節(jié)電池的仿真模型，驗證了所提均衡拓撲與均衡策略的可行性。

1" 均衡電路拓撲及原理分析

1.1" 均衡電路拓撲

傳統(tǒng)的單層均衡拓撲只能使能量在相鄰的單體電池或電池組之間傳遞，能量傳輸通道單一，均衡時間長、均衡效率低。改進后的雙層均衡拓撲雖解決了能量傳輸通道單一的問題，但當電池組中單體電池數(shù)量過多時，往往需要更多的均衡開關(guān)，導(dǎo)致均衡過程中的開關(guān)損耗增大，均衡速度降低[9]。為進一步提高均衡速度，減少開關(guān)損耗，本文在傳統(tǒng)單層均衡拓撲的基礎(chǔ)上提出了可有效提高均衡速度、減少開關(guān)損耗的分層均衡拓撲。均衡拓撲整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

第一層由兩節(jié)單體電池構(gòu)成一個電路單元，每個電路單元內(nèi)部可實現(xiàn)兩節(jié)單體電池之間的均衡，同時兩個相鄰的電路單元由第二層的均衡模塊進行電路單元間的均衡，以此類推。當單體電池數(shù)[n]為偶數(shù)時，每個電池單元由兩節(jié)單體電池構(gòu)成；當[n]為奇數(shù)時，最末端單體電池與其之前的兩節(jié)單體電池共同構(gòu)成一個三電池單元，其余各電池依舊按照上述兩兩成組構(gòu)成電路單元，以此類推，各層也按照此方法進行均衡分組。

1.2" 均衡原理

本文采用Buck?Boost變換器作為分層均衡電路的均衡器，以8節(jié)單體電池為例，分層式主動均衡拓撲的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

相較于普通的串聯(lián)式均衡拓撲，圖2中的分層式均衡拓撲可三層回路，同時開啟均衡實現(xiàn)任意單體電池間的能量均衡，大大提高了能量均衡效率。最小均衡單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

最小均衡單元由兩個MOS管、一個電感和兩節(jié)單體電池組成，其中電感作為能量儲存的中間載體，兩個MOS管作為開關(guān)由PWM信號驅(qū)動，兩者相互配合實現(xiàn)電池能量從一個單體電池向另一個單體電池的傳輸。為避免電感的磁飽和，選用電感的斷續(xù)導(dǎo)通模式，以保證在一個脈沖調(diào)制開關(guān)周期內(nèi)電感所吸收的能量能被完全釋放。

假設(shè)B1能量高于B2，整個均衡過程分為如下三個階段。

第一階段：PWM信號控制開關(guān)管[SH]導(dǎo)通，此時電池B1、續(xù)流二集管D1、[SH]和電感[L]組成一個回路，B1將多余的能量釋放到電感[L]中以磁能的形式儲存，此時回路中的電流記作[IL1]，此過程如圖4所示。

第二階段：PWM信號控制關(guān)斷MOS管[SH]，此時[SL]、電池B2、續(xù)流二極管[D2]以及電感[L]組成一個回路，將儲存在電感中的能量通過此回路釋放給電池B2，直至電感電流降為0，此階段結(jié)束。整個過程如圖5所示，回路中的電流記作[IL2]。

第三階段：MOS管[SH]和[SL]均截止，一個周期內(nèi)的均衡完成，等待下一個PWM信號的驅(qū)動。如此循環(huán)使得兩個單體電池的能量逐漸趨于一致，最終小于均衡閾值，完成均衡。

1.3" 參數(shù)計算

忽略開關(guān)管的正向?qū)妷阂约皟蓚€階段中回路的總電阻，設(shè)[UB1]、[UB2]分別為電池B1和電池B2兩端的電壓，[D]為PWM控制信號的占空比，[toff]為第二階段的截止時間，[T]為整個PWM控制信號的周期。

不同階段電路中的電流如下：

[iL=iL1=UB1tL，" " " "0lt;tlt;DTiL2=UB1DtL-UB2（t-DT）L，" " " "DTlt;tlt;ts0，" " " "tslt;tlt;T] （1）

整個開關(guān)周期內(nèi)電池B1向B2轉(zhuǎn)移的能量為：

[E=12UB1L（DT）2] （2）

在第一階段高電量單體電池放電過程中，回路中的電流[IL1]逐漸增大，等[t=DT]時，回路中的電流達到最大，此時最大電流為[UB1tL]，之后進入低電量單體電池吸收電量的過程，此過程中MOS管[SH]關(guān)斷，[SL]導(dǎo)通，回路中的電流[IL2]逐漸減小。

為使電路工作在電感的斷續(xù)導(dǎo)通模式（DCM），需保證均衡結(jié)束時間[ts]小于PWM控制周期[T]，即當[t]lt;[T]時，回路二中電流[IL2]需降至0，代入公式可得，占空比[D]需滿足：

[D≤UB2 （UB1+UB2）] （3）

2" 均衡控制策略

2.1" 均衡變量選取

電池的均衡控制策略中第一步就是要選取合適的均衡控制指標，以均衡控制指標作為均衡效果的判斷依據(jù)，目前常用的均衡控制指標有電池的端電壓、電池的剩余容量以及電池的荷電狀態(tài)三種[10]。電池電壓的獲取較為簡單，可直接采集，也是目前最為常用的均衡控制指標，但電池電壓的測量易受干擾，同時電池在充放電以及靜置等不同情況下同一單體電池的電壓值也會不同，因此以電壓為均衡目標會導(dǎo)致均衡誤差較大，無法達到準確的均衡。

相比于用電壓作為均衡目標，以電池的SOC作為均衡指標時，均衡精度更高，但由于電池的SOC無法直接獲取，往往需要借助其他變量進行估算，目前常用的估算方法是開路電壓法。

選用額定容量為42 A·h、額定電壓為3.6 V的鋰電池進行橫流間隙充放電，測得充放電過程中電池的開路電壓和荷電狀態(tài)特性曲線如圖6所示。

由鋰電池OCV?SOC特性曲線可知，電池SOC處于20%～90%階段時，電池的開路電壓變化小，此時若選用電壓作為均衡指標，會導(dǎo)致電池單體之間電壓差距很小，但SOC相差很大，不僅會嚴重降低均衡速度，而且還容易出現(xiàn)誤均衡操作，因此本文選用電池的SOC作為均衡電路的均衡指標。

2.2" 均衡控制策略

目前常用的均衡控制策略主要有最值法、平均值法、差值法以及模糊控制法等[11]。根據(jù)本文所采用的分層結(jié)構(gòu)，提出了“相對極差法”，以單體電池或電池組的極差作為均衡閾值條件，采用分層同步均衡的方法實現(xiàn)單體電池以及電池組的一致性均衡。

相對極差是指電池組中單體電池SOC最大值或最小值與該電池組所有單體電池SOC平均值之差。記電池組中第[i]節(jié)單體電池的SOC值為[SOCi]，電池組中第[k]個電池單元中所包含單體電池的平均值為[SOCk]，電池單元中最大的SOC值和最小的SOC值分別為[SOCmax]和[SOCmin]，[α+]和[α-]分別為正向相對極差和負向相對極差。則：

[SOCk=1ni=1nSOCi，" " "k=1，2，…，n] （4）

[α+=SOCmax-SOCk] （5）

[α-=SOCk-SOCmin] （6）

均衡控制策略流程圖如圖7所示。

首先利用電池檢測模塊獲取電池的電壓、電流、溫度等參數(shù)，利用開路電壓法估算各單體電池的SOC值[12]，之后計算各電池單元以及各電池組的平均SOC以及相對差異度[α]，判斷相對差異度是否達到均衡開啟條件，若達到則控制相應(yīng)的MOS管導(dǎo)通，對第一層電池單元內(nèi)部的兩節(jié)單體電池通過Buck?Boost均衡模塊進行均衡，均衡完成后判斷第二層整體電池組的SOC平均值以及最大、最小SOC單元[13]，按照上述方法判斷是否達到均衡閾值，通過上層的均衡模塊對該層電池單元進行均衡，如此循環(huán)直至電池單元內(nèi)以及電池組之間差異小于所設(shè)定的均衡閾值，均衡結(jié)束。

3" 仿真結(jié)果分析

為驗證所提分層拓撲結(jié)構(gòu)及均衡控制策略的可行性，選用8節(jié)鋰電池，在Matlab/Simulink仿真實驗平臺搭建了仿真模型，并分別在傳統(tǒng)單層均衡以及本文所提分層均衡之間進行了對比仿真驗證，具體的仿真參數(shù)如表1所示。

8節(jié)電池的SOC值分別設(shè)置為90%、88%、86%、84%、82%、80%、78%、72%。均衡過程及單體電池SOC變化值如圖8所示。

采用8節(jié)電池做仿真實驗，初始狀態(tài)下8節(jié)電池的SOC均值為82.5%，采用傳統(tǒng)單層均衡以及本文分層均衡后均衡所用時間以及最終達到均衡時SOC均值對比如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，本文所提分層均衡拓撲所用均衡時間比傳統(tǒng)單層均衡縮短了269.88 s，均衡速度提高了86.06%，同時根據(jù)均衡后的SOC值可算出本文分層均衡結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)單層結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)移效率提高了3.3%。

采用9節(jié)初始SOC值分別為90%、88%、86%、84%、78%、76%、75%、73%、72%的鋰電池，使用傳統(tǒng)單層以及本文所提分層均衡結(jié)構(gòu)在Matlab中搭建仿真模型并設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)后進行仿真，各單體電池SOC的變化情況如圖9所示。

采用9節(jié)鋰電池做仿真實驗，初始狀態(tài)下9節(jié)電池的SOC均值為80.22%，采用傳統(tǒng)單層拓撲以及本文分層拓撲達到均衡所用時間以及最終達到均衡后的SOC均值如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可以看出，本文所提分層均衡拓撲所用均衡時間比傳統(tǒng)單層均衡縮短了319.01 s，均衡速度提高了84.21%，同時根據(jù)均衡后的SOC值可算出本文分層均衡結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)單層結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)移效率提高了4.22%。

4" 結(jié)" 論

本文提出一種基于Buck?Boost電路的分層式主動均衡結(jié)構(gòu)，采用相對極差的均衡控制策略，通過對所提拓撲的原理進行分析，利用仿真驗證得出了以下結(jié)論：

1） 相對于傳統(tǒng)的單層均衡模式，所提出的基于Buck?Boost電路的分層式主動均衡可有效減少均衡時間，提高均衡效率，并且結(jié)構(gòu)相對簡單，控制難度較低，可用于大規(guī)模儲能系統(tǒng)中，有效防止單體電池的過充過放，提高了電池組的安全可靠性。

2） 采用電池的SOC作為均衡目標，采用相對極差法，對各層實現(xiàn)同步均衡，相比于傳統(tǒng)的分層分步均衡，提高了均衡效率。

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作者簡介：魏業(yè)文（1987—），男，湖北宜昌人，博士研究生，講師，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為新能源并網(wǎng)與消納。

李藝博（2000—），男，河南平頂山人，碩士研究生，主要研究方向為電池組均衡控制拓撲、電池組均衡控制策略。

劉霽歐（2000—），女，湖北武漢人，碩士研究生，主要研究方向為綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度。

邱天一（1999—），男，湖北黃岡人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子。

收稿日期：2024?03?15" " " " " "修回日期：2024?04?03

基金項目：國家自然科學基金面上項目資助（52377191）