孫金磊，逯仁貴，魏國，朱春波，武國良，徐冰亮

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001;2.黑龍江省電力科學(xué)研究院， 黑龍江哈爾濱 150030)

一種電動(dòng)汽車串聯(lián)電池組主動(dòng)均衡器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

孫金磊1，逯仁貴1，魏國1，朱春波1，武國良2，徐冰亮2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001;2.黑龍江省電力科學(xué)研究院， 黑龍江哈爾濱 150030)

針對電動(dòng)汽車串聯(lián)電池組長期充放電引起的電池組容量不均衡、電池組整體性能下降的問題，結(jié)合開關(guān)電源和同步整流技術(shù)提出一種電池均衡拓?fù)浜头椒?。根?jù)串聯(lián)電池組單體剩余電量（SOC）分布選定需要均衡的電池單體，確定所需均衡時(shí)間和均衡結(jié)束條件。分析以正激變換器為主體的均衡器工作模式，得到能量轉(zhuǎn)移方程。利用同步整流技術(shù)將二極管替換為開關(guān)管來減少能量損失。對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果表明：均衡器能夠根據(jù)電池單體SOC確定需要均衡的單體，計(jì)算均衡時(shí)間，實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)任意單體之間的能量傳遞。與現(xiàn)有方法的比較結(jié)果驗(yàn)證了所提出均衡拓?fù)涞目尚行院涂s短均衡時(shí)間方法的有效性。

串聯(lián)電池組；均衡器；非能耗型均衡；主動(dòng)均衡；同步整流

0 引 言

人們對環(huán)境和能源問題的日益關(guān)注,促進(jìn)了電動(dòng)車的發(fā)展,商業(yè)化的追求正變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)[1]。由于鋰電池具有能量密度高，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)，在不久的將來很有可能取代鎳氫電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車領(lǐng)域[2]。由于單體電池電壓很低，而電動(dòng)汽車的應(yīng)用場合需要高電壓，就必須將多節(jié)電池串聯(lián)后使用[3]?？墒钱?dāng)串聯(lián)電池組循環(huán)充放電后，電池單體之間的不一致所帶來的影響變得明顯，這種不均衡將加劇過充和過放進(jìn)而導(dǎo)致電池使用壽命降低[3-5]。因此，為了避免潛在的危險(xiǎn)和提高電池使用壽命，有必要對電池組進(jìn)行均衡操作[6-7]。目前，市場上產(chǎn)品普遍采用的電阻放電均衡方式雖然結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。但有限的電池能量在車輛運(yùn)行過程中始終以電阻發(fā)熱的形式散失，電能白白浪費(fèi)的同時(shí)還造成了嚴(yán)重的安全隱患。針對這一問題有學(xué)者對能量轉(zhuǎn)移型主動(dòng)均衡展開研究，已經(jīng)提出了多種均衡拓?fù)?，比如文獻(xiàn)[8]中，用雙層開關(guān)電容來對電池進(jìn)行均衡；文獻(xiàn)[9-10]則是采用多原邊變壓器實(shí)現(xiàn)能量的傳遞從而實(shí)現(xiàn)均衡。

在借鑒現(xiàn)有的均衡方法基礎(chǔ)上，考慮均衡方式對均衡時(shí)間的影響，本文提出了一種電池靜態(tài)恒流均衡器。為了保證儲(chǔ)能系統(tǒng)安全，整車運(yùn)行時(shí)均衡器不工作。在定期維護(hù)時(shí)均衡器啟動(dòng)運(yùn)行，對串聯(lián)電池組進(jìn)行維護(hù)。均衡器利用一個(gè)單向正激變壓器實(shí)現(xiàn)能量傳遞，變壓器輸出端的反饋信號(hào)調(diào)節(jié)原邊金氧半場效晶體管（metal-oxide semiconductor fi eld-effect transistor,MOSFET）驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比從而保持輸出電流恒定。均衡器同時(shí)配有電壓采集電路，獲取各單體電壓并根據(jù)長期靜置電池開路電壓同剩余電量（state of charge，SOC）的關(guān)系曲線估算各節(jié)電池SOC，開關(guān)陣列選擇高容量電池和低容量電池分別接入均衡器的輸入和輸出端。這種均衡結(jié)構(gòu)使能量傳遞更具針對性，縮短均衡時(shí)間。

1 均衡器的結(jié)構(gòu)

本文提出的電池均衡結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖中均衡器利用電壓采集電路獲得信息，根據(jù)SOC將電池單體進(jìn)行配對，較高SOC電池和較低SOC電池形成一個(gè)均衡對，12節(jié)電池串聯(lián)的電池組最多可以組成6個(gè)均衡對。然后通過開關(guān)網(wǎng)絡(luò)將一個(gè)均衡對中較高SOC電池接入均衡器的輸入端，較低SOC電池接入輸出端。均衡電流從高容量電池向低容量電池流動(dòng)。兩節(jié)電池完成均衡后，切換另一個(gè)均衡對中的兩節(jié)電池繼續(xù)進(jìn)行均衡，直到電池組內(nèi)部所有單體達(dá)到容量均衡。

圖1 均衡器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of the proposed equalizer

2 均衡器的工作原理

均衡器的主體是能量轉(zhuǎn)換部分，由DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)，如圖2所示。

圖2 均衡器主電路Fig.2 Main circuit of the proposed equalizer

由于正激變換器結(jié)構(gòu)簡單，適用于低電壓大電流應(yīng)用，所以本文采用這種結(jié)構(gòu)。變換器的輸入來自每一個(gè)均衡對中高容量電池，輸出為低容量電池，通過開關(guān)陣列接入，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程能量的傳遞都是在電池組內(nèi)部進(jìn)行，不需要外部電源供電。MOSFET Q的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自集成PWM驅(qū)動(dòng)控制芯片UC2525，當(dāng)微控制器發(fā)出均衡啟動(dòng)指令后，PWM驅(qū)動(dòng)控制芯片持續(xù)發(fā)出PWM驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)給功率器件，均衡主電路工作，通過輸出電流反饋調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，使輸出電流恒定。恒定的電流便于SOC的估算。均衡電流由正激變換器參數(shù)決定，為了方便分析，將副邊阻抗等同為一個(gè)電阻，用r表示，r包括變壓器副邊線圈和輸出電感L以及線路的阻抗。

根據(jù)開關(guān)管的工作狀態(tài)，均衡器工作在兩種模式下。在均衡器開始工作前，開關(guān)陣列已經(jīng)將相應(yīng)電池接入。

模式1：當(dāng)開關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，模式1啟動(dòng)。如圖3所示。較高容量電池通過變壓器原邊電感建立勵(lì)磁電流，同時(shí)將能量傳遞到副邊，副邊儲(chǔ)能電感積蓄能量并為電池充電，電感電流逐漸上升。MOSFET Q導(dǎo)通時(shí)Vorm和電感電流可根據(jù)式（1）和式（2）得到，計(jì)算結(jié)果如式（3）所示。

式中，Vorm為變壓器二次側(cè)未經(jīng)過電感L的電壓；假設(shè)MOSFET的導(dǎo)通壓降為1V，Vstrong為接入的較高容量電池的電壓，Np和Ns分別為原邊和副邊匝數(shù)，VDl為SR-Q2導(dǎo)通壓降。

式中：L為電感;il1為模式1情況下流過電感的電流;r為線路及電池阻抗;E為容量較低電池端電壓解得

式中，I10=i12(T),I10為il1初始電流值，τ=L/r，T為PWM信號(hào)的周期。

圖3 模式1電路工作示意Fig.3 Operation schematic diagram of mode 1

模式2：當(dāng)開關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，模式2啟動(dòng)。如圖4所示。在模式2中，變壓器原邊利用復(fù)位繞組進(jìn)行磁復(fù)位。復(fù)位能量返回高容量電池。由于二次側(cè)電感電流不能突變，二次側(cè)的續(xù)流MOSFET SRQ1導(dǎo)通，電感中儲(chǔ)藏的能量釋放，給低容量電池充電。根據(jù)式(4)計(jì)算可以得出此模式下電感電流，計(jì)算結(jié)果如式(5)所示。因?yàn)檎ぷ儞Q器有磁復(fù)位的特點(diǎn)，在Nr=Np的情況下，占空比最大為0.5。

式中I20=i11(t1)為il2的初始值，ton為開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間。

圖4 模式2電路工作示意Fig.4 Operation schematic diagram of mode 2

為了保證充電電流的連續(xù)，所以使變換器工作在電感電流連續(xù)模式(continuous current mode,CCM)下，通過以上分析可知，在模式1中流過電感的電流是給低容量電池的充電電流，在模式2下電感釋放的電流也流過低容量電池，因此可以得出結(jié)論，流過電感的電流就是均衡電流。這種均衡方法和現(xiàn)有方法相比，直接將能量從較高容量電池轉(zhuǎn)移到容量較低電池，免去了電池之間相互轉(zhuǎn)換帶來的損耗，因此均衡時(shí)間將明顯縮短。

3 同步整流技術(shù)的應(yīng)用

本文的應(yīng)用場合輸入和輸出電壓都比較低，如果采用傳統(tǒng)的整流二極管，最小導(dǎo)通壓降在0.6 V左右，而輸入和輸出的電池電壓也只有3.2 V左右。在工作過程中總有一個(gè)二極管工作，損耗巨大。如果采用同步整流技術(shù)并采用專用芯片來驅(qū)動(dòng)就可以降低導(dǎo)通壓降，從而減小損耗。實(shí)際應(yīng)用中采用的驅(qū)動(dòng)芯片是ST公司的STSR2正激同步整流驅(qū)動(dòng)芯片，這款芯片內(nèi)部集成了二次側(cè)同步信號(hào)采集和死區(qū)設(shè)置功能，通過簡單的阻容配置就可以實(shí)現(xiàn)兩路帶有死區(qū)的互補(bǔ)PWM信號(hào)輸出。時(shí)鐘同步信號(hào)CK，SR-Q1和SR-Q2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)OUTGate1，OUTGate2分別如圖5所示。

圖5 同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形Fig.5 Driving signal of synchronous recti fi er

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證本文提出電池均衡器的工作原理，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由12節(jié)串聯(lián)電池組、供電電源、均衡主控板和CAN分析儀組成。均衡器工作頻率為40 kHz，由于正激電路需要磁復(fù)位，所以最高占空比限制在45%。平臺(tái)中所用電池為標(biāo)稱容量5 Ah，額定電壓為3.2 V的國內(nèi)某電池廠家生產(chǎn)的動(dòng)力磷酸鐵鋰電池。均衡器采用本文提出的正激變換均衡器，對SOC差異較大的兩節(jié)電池單體的均衡，通過CAN分析儀將實(shí)時(shí)采集的電池均衡信息發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。針對串聯(lián)電池長期充放電實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的不均衡現(xiàn)象，在充分靜置的情況下，利用之前測得的電池開路電壓同SOC的關(guān)系曲線估算電池組中每一節(jié)電池的SOC，并根據(jù)SOC的差異確定均衡策略。長期充放電的12節(jié)串聯(lián)電池SOC分布如表1所示。

表1 均衡前電池SOC分布情況Tab.1 The initial SOC of 12 cells

根據(jù)各節(jié)電池SOC分布，將電池組中較高和較低SOC的電池進(jìn)行配對，形成均衡順序表，如表2所示。

表2 均衡順序Tab.2 The order of equalization

均衡結(jié)束后12節(jié)串聯(lián)電池SOC分布情況如表3所示。

表3 均衡后電池SOC分布情況Tab.3 The fi nal SOC of 12 cells

均衡器主要工作波形如圖6所示。

啟動(dòng)均衡前，首先對電池的SOC進(jìn)行排序，如果最高和最低SOC電池差異在8%以上，則將這對電池序號(hào)計(jì)入待均衡序列。其余的電池也做同樣的操作，均衡序列中最多可以有6對這樣需要均衡的電池。啟動(dòng)均衡后，放電電池的SOC逐漸降低，充電電池的SOC逐漸上升。如有一方達(dá)到電池平均SOC時(shí)終止這對均衡并進(jìn)入下一對均衡。當(dāng)均衡序列全部完成均衡操作后，根據(jù)SOC重新產(chǎn)生需要均衡的序列并進(jìn)行均衡。最終使電池組內(nèi)所有電池SOC在均值附近。均衡器的實(shí)驗(yàn)曲線如圖7所示。

最后，為了驗(yàn)證本文所提方法對均衡時(shí)間的優(yōu)勢，在初始SOC分布相同的情況下，利用本文所提出的均衡器進(jìn)行均衡時(shí)間計(jì)算，與文獻(xiàn)[12]方法所得到的150 min均衡時(shí)間進(jìn)行對比。6節(jié)電池SOC分布如表4所示。

表4 6節(jié)電池SOC分布Tab.4 The SOC of 6 cells

圖6 均衡器工作波形Fig.6 Operating waveforms of proposed equalizer

圖7 同步整流驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形Fig.7 Driving signal of synchronous recti fi er

均衡器工作參數(shù)如下：低容量電池恒流充電電流為1 A，高容量電池平均放電電流為1.4 A。每個(gè)均衡周期選取SOC最高電池單體與最低電池單體進(jìn)行均衡，以其中一節(jié)單體達(dá)到平均SOC為本均衡周期結(jié)束的判據(jù)。一個(gè)周期結(jié)束后進(jìn)入下一均衡周期，當(dāng)電池組內(nèi)最高和最低SOC的差低于文獻(xiàn)中停止均衡的最大SOC差異5.8%時(shí)視為完成所有均衡操作。對于所述的6節(jié)電池單體均衡過程中的SOC狀態(tài)變化如表5所示。根據(jù)初始SOC分布狀態(tài)，初始最大SOC偏差為21.3%，首次選取1號(hào)單體放電，6號(hào)單體充電，1號(hào)單體在0.2h后達(dá)到平均SOC值57.3%，第一周期均衡結(jié)束。第二周期開始時(shí)最大SOC偏差為14.3%，選取2號(hào)單體放電，5號(hào)單體充電，2號(hào)單體在0.128h后達(dá)到平均SOC值56.7%，第二周期均衡結(jié)束。第三周期開始時(shí)最大SOC偏差為7%，選取3號(hào)單體放電，4號(hào)單體充電，4號(hào)單體在充電0.065 h后達(dá)到平均SOC值56.7%。至此電池組SOC分布如表5周期3結(jié)束時(shí)所示,平均SOC為56.56%，最大SOC偏差為3%,小于5.8%.計(jì)算整個(gè)過程中的均衡時(shí)間為(0.2+0.128+0.065)h=23.5min，低于文獻(xiàn)中所得到的150min均衡時(shí)間，能夠說明本文所提出均衡結(jié)構(gòu)在均衡時(shí)間上的優(yōu)勢。

表5 6節(jié)電池均衡狀態(tài)Tab.5 The equalization state of 6 cells

5 結(jié) 語

本文針對串聯(lián)電池組長期充放電出現(xiàn)的不均衡問題，設(shè)計(jì)了能量轉(zhuǎn)移型靜態(tài)電池均衡器，利用正激變換器實(shí)現(xiàn)高容量電池單體和低容量電池單體之間的直接能量傳遞，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。均衡器采用電流閉環(huán)控制，恒定電流為1 A，為了減少二極管帶來的損耗，加入了同步整流。最后，以一組電池為例進(jìn)行了均衡實(shí)驗(yàn)，均衡后各單體SOC同平均SOC最大差異在5%以內(nèi)。通過與現(xiàn)有均衡方法的比較，證明了所設(shè)計(jì)均衡器在均衡時(shí)間上的優(yōu)勢。因此，本文提出的電池均衡器適用于串聯(lián)鋰離子電池組的快速均衡方案。

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(編輯：于雙)

Design and realization of active equalizer for lithium battery string

SUN Jin-lei1,LU Ren-gui1,WEI Guo1,ZHU Chun-bo1,WU Guo-liang2,XU Bing-liang2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China 2.Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030，China;)

Aiming at the unbalance problem and performance degradation to series-connected battery string of electric vehicles during frequent charging and discharging,the topology with synchronous rectifi cation and equalization method were proposed.The target cells to be balanced were selected according to the state of charge(SOC),which determines the equalization time and termination condition.The energytransferequationswereobtainedbyanalyzingtheworkingconditionsoftheequalizationcircuit,which is based on forward converter.The synchronous recti fi cation technology took the place of diodes by using metal-oxide semiconductor fi eld-effect transistor(MOSFET),which decreases the loss of equalizer.The experiment results were carried out to verify the performance and strategy of the equalizer.The energy transfer from high capacity cell to low capacity cell is achieved.Compared with the current method,the equalization time is shortened using the euqlizer and strategy.

series-connected battery string;equalizer;nondissipative equalization;active equalization;synchronous recti fi cation

TM 912

A

1007–449X(2013)10–0033–06

2012–12–11

2012國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目(黑電科信[2012]317號(hào));國家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目(NY20110703-1)

孫金磊(1985—),男,博士研究生,研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車電池管理系統(tǒng)及電池均衡技術(shù);

逯仁貴(1968—),男,博士,副教授,研究方向?yàn)橹悄軠y試與控制、電動(dòng)汽車電源管理技術(shù);

魏 國(1966—),男,博士,教授,研究方向?yàn)闇y控系統(tǒng)、多功能敏感技術(shù)、信號(hào)處理、電動(dòng)汽車電源管理等技術(shù);

朱春波(1964—),男,博士,教授,研究方向?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)綜合測試與控制技術(shù)、無線能量傳輸技術(shù);

武國良(1980—),男,博士,工程師,研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車及充換電技術(shù)、儲(chǔ)能電池、智能電網(wǎng);

徐冰亮(1973—),男,博士,講師,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)、電網(wǎng)規(guī)劃、電動(dòng)汽車。

孫金磊