模塊化均衡拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯?/h1>
2017-06-05 14:58劉新天沈瑞華鄭昕昕何耀曾國建
電氣傳動 2017年5期
劉新天，沈瑞華，鄭昕昕，何耀，曾國建
（1.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）
模塊化均衡拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯?/p>
劉新天1，沈瑞華2，鄭昕昕1，何耀1，曾國建1
（1.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）
串聯(lián)電池組的均衡能夠提高電池壽命和能量利用率，基于電感的主動均衡策略具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，在工程技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。將基于電感的均衡電路進(jìn)行模塊化擴(kuò)展，對多個(gè)均衡單元進(jìn)行排列組合生成多種均衡電路，分析生成的模塊化均衡拓?fù)涔ぷ髟?，并對不同拓?fù)溥M(jìn)行比較，研究相應(yīng)的控制策略，提出一種通用的脈寬調(diào)制均衡控制方法，其實(shí)現(xiàn)簡單、可移植性高，適用于所有基于均衡單元排列組合所得到的均衡拓?fù)洹７抡婧蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的模塊化均衡拓?fù)溥m用于不同的應(yīng)用場合，所提出的通用均衡控制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)主動式均衡。
串聯(lián)電池組；主動均衡；模塊化；脈沖寬度調(diào)制控制
隨著新能源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，鋰電池作為能量存儲的裝備，被廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能電站等領(lǐng)域［1］。在高壓場合，為達(dá)到所需的電壓等級，通常將鋰電池單體進(jìn)行串聯(lián)工作。由于制造工藝和使用時(shí)間的差異，單體電池之間也存在著差異，這就導(dǎo)致串聯(lián)后的鋰電池組受到單體電池性能的影響，在充放電過程中存在不均等現(xiàn)象，從而降低電池的壽命和能量利用率［2-3］，因此需要對串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡控制。
電池均衡分為主動式和被動式均衡2種，其中主動式均衡通過儲能元件或能量轉(zhuǎn)移電路將荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）較高的電池能量釋放給SOC較低的電池單體，在理想情況下能夠?qū)崿F(xiàn)無損均衡［3］。因此，研究高效、可靠的主動式均衡方案對減小能量消耗、提高電池系統(tǒng)能量利用率具有重要的意義。
基于電感的主動式均衡方案具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)［4］，目前已得到了一定的應(yīng)用。然而該方案通常采用均衡單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，均衡速度慢。目前基于均衡單元的分層結(jié)構(gòu)和多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)也被陸續(xù)提出［5-6］，但缺少對于這些方案的系統(tǒng)比較，且沒有統(tǒng)一的控制方案以提高模塊化均衡的可移植性和可擴(kuò)展性。針對上述問題，本文對基于電感均衡單元的模塊化均衡拓?fù)溥M(jìn)行分析與比較，并給出了通用的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）均衡控制方法。
1 模塊化均衡拓?fù)涞纳?/h2>
1.1 基本均衡單元
圖1給出了基于電感的基本均衡單元，L1為儲能電感，U1和U2為相鄰2節(jié)單體電池的電壓，通常情況下，可用單體電池的電壓表征其SOC［7］。
圖1 基于電感的基本均衡單元Fig.1 Basic equalization unit based on inductor
當(dāng)U1高于U2時(shí)，可近似認(rèn)為單體電池1的SOC高于單體電池2的SOC，需要控制S1導(dǎo)通，單體電池1向電感L1放電，當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，由于流過L1的電流不能突變，則L1，U2和D2形成電流回路，給單體電池2充電，因此通過S1的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM），能夠?qū)崿F(xiàn)單體電池1向單體電池2的能量轉(zhuǎn)移。
1.2 模塊化均衡拓?fù)?/p>
基于電感的基本均衡單元僅能實(shí)現(xiàn)相鄰2節(jié)單體電池的均衡，因此，通過將基本均衡單元進(jìn)行排列組合，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)串聯(lián)電池組的均衡。
圖2給出了幾種均衡單元排列組合所得到的模塊化均衡拓?fù)?。圖2a所示為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的均衡拓?fù)洌捎诿肯噜?節(jié)電池單體都能夠?qū)崿F(xiàn)均衡，則最終整個(gè)串聯(lián)電池組都能夠達(dá)到均衡，由于能量兩兩傳遞，該拓?fù)涞木馑俣容^慢；圖2b所示為分層結(jié)構(gòu)的均衡拓?fù)?，該拓?fù)涞淖钌弦粚訉㈦姵亟M切割成2組具有同樣數(shù)目的電池小組，通過基本均衡單元實(shí)現(xiàn)這2個(gè)小組的均衡，下層結(jié)構(gòu)以此類推。分層結(jié)構(gòu)能夠加快均衡速度，但電池?cái)?shù)目必須為2的冪次方，故其應(yīng)用場合受到了限制。圖2c所示為多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的均衡拓?fù)?，?dāng)電池單體數(shù)量為N時(shí)，則通過基本均衡單元分別實(shí)現(xiàn)電池單體1電壓和電池單體2～N平均電壓的均衡、電池單體1～2平均電壓和電池單體3～N平均電壓的均衡…以此類推實(shí)現(xiàn)電池單體1～N-1平均電壓和電池單體N電壓的均衡。
圖2 模塊化均衡拓?fù)銯ig.2 The modular equalization topologies
在基本均衡單元中，當(dāng)某個(gè)功率管導(dǎo)通時(shí)，電感流過的電流與該功率管對應(yīng)的電池電壓有關(guān)，圖2中的所有拓?fù)涠际怯苫揪鈫卧M合而成，因此在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電流峰值表達(dá)式為
式中:T為開關(guān)周期；d為占空比；∑Ui為功率管對應(yīng)的電池電壓之和。
對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，∑Ui只能為電池單體的電壓，而對于分層結(jié)構(gòu)和多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，∑Ui可以為多個(gè)電池串聯(lián)的電壓。以單體電池1放電過程為例，假設(shè)單體電池2～N電壓相等且小于單體電池1的電壓，各基本均衡單元電感值相等，則對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，U1放電電流峰值為
對于分層結(jié)構(gòu)，U1放電電流峰值為
對于多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，U1放電電流峰值為
對比式（2）～式（4）可以看出，多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的均衡電流峰值最大，相應(yīng)的均衡速度也最快，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的均衡電流峰值最小，相應(yīng)的均衡速度也最慢。
2 均衡拓?fù)涞目刂品椒?/h2>
圖3給出了基本均衡單元的控制方法。
圖3 基本均衡單元的控制方法Fig.3 Control strategy of the equalization unit
圖3a所示為閉環(huán)控制策略，d1，d2分別為S1和S2的驅(qū)動信號；ΔU為U1和U2的電壓差；K為電壓誤差增益，其為正實(shí)數(shù)，目的是放大電壓誤差；誤差輸出信號-KΔU與圖3b所示的正負(fù)三角載波進(jìn)行比較，當(dāng)U1大于U2時(shí)，-KΔU＜0，其不與正三角波相交，故S2始終截止，S1受PWM控制。U1和U2的電壓差越大，-KΔU越小，d1的占空比越大，則U1的放電速度越快，當(dāng)U1小于U2時(shí)可同理分析；圖3c給出了控制流程圖，當(dāng)U1和U2的電壓差絕對值高于一定閥值εmax時(shí)，相應(yīng)的功率開關(guān)管以最大占空比工作，當(dāng)U1和U2的電壓差絕對值低于一定閥值εmin時(shí)，視為實(shí)現(xiàn)均衡，兩開關(guān)都截止，當(dāng)U1和U2的電壓差絕對值在εmax和εmin之間時(shí)，采用閉環(huán)控制策略。
由于上述拓?fù)渚苫揪鈫卧M成，故可以通過控制每個(gè)均衡單元的均衡實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊化均衡拓?fù)涞木?，單個(gè)均衡單元能夠通過統(tǒng)一的控制策略實(shí)現(xiàn)均衡，其仍可用圖3a表示，此時(shí)ΔU不再為U1和U2的電壓差，其表達(dá)式為
式中:k1，k2分別為基本均衡單元2個(gè)功率管對應(yīng)的串聯(lián)電池?cái)?shù)目。
3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖4 SOC變換曲線Fig.4 Changing curves of the SOC
搭建基于Matlab/Simulink的仿真平臺，采用4節(jié)單體電池進(jìn)行串聯(lián)，初始SOC值分別為0.6，0.65，0.67和0.7，圖4給出了3種模塊化均衡拓?fù)涞腟OC變化曲線。采用所提出的統(tǒng)一控制策略進(jìn)行控制。可以看出，各種拓?fù)涠寄軌蛴行?shí)現(xiàn)均衡，均衡速度由快至慢依次為多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。
圖5給出了基本均衡單元中流過電感的電流，功率管開關(guān)頻率為100 kHz。當(dāng)對應(yīng)的功率管導(dǎo)通時(shí)，電感電流上升，電感儲能；當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量，電流下降。
圖5 電感電流波形Fig.5 Current waveform of the inductor
圖6給出了電池組中各單體電壓的分布情況。在圖6a中，電壓的差別較為明顯，當(dāng)加入均衡方案后，如圖6b所示，電池電壓的分布變窄，均衡方案能夠有效實(shí)現(xiàn)電池組的均衡。
圖6 電池電壓分布Fig.6 The distribution of the cell voltages
表1 3種模塊化均衡拓?fù)涞男阅軐Ρ萒ab.1 Comparison of three modular equalization topologies
通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了3種模塊化均衡拓?fù)涞男阅軐Ρ?，如?所示?？梢钥闯?，多項(xiàng)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)均衡速度快，但電流應(yīng)力較大，分層結(jié)構(gòu)性能較為中庸，但對串聯(lián)電池的數(shù)目有要求，故其應(yīng)用場合受到了一定的限制。
4 結(jié)論
本文對基于基本均衡單元的模塊化均衡拓?fù)溥M(jìn)行分析，研究其工作原理和控制策略，并給出了適用于各種拓?fù)涞慕y(tǒng)一控制策略，提高了均衡拓?fù)涞目梢浦残院涂蓴U(kuò)展性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析，根據(jù)研究得到如下結(jié)論:
1）基于電感能量轉(zhuǎn)移的模塊化均衡拓?fù)渚軌蛴苫揪鈫卧ㄟ^不同的排列組合方式獲得，故其基本均衡原理相同，但能量轉(zhuǎn)移順序不同；
2）根據(jù)不同的能量轉(zhuǎn)移順序能夠?qū)Σ煌馔負(fù)涞木馑俣群途庑蔬M(jìn)行判斷，不同的均衡拓?fù)淠軌蜻m應(yīng)不同的應(yīng)用場合；
3）所提出的統(tǒng)一均衡控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)各種結(jié)構(gòu)均衡拓?fù)涞木?，具有可移植性和可擴(kuò)展性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效均衡。
［1］桑丙玉，楊波，李官軍，等.分布式發(fā)電與微電網(wǎng)應(yīng)用的鋰電池儲能系統(tǒng)研究［J］.電力電子技術(shù)，2012，46（10）: 57-59.
［2］唐國鵬，趙光金，吳文龍.動力電池均衡控制技術(shù)研究進(jìn)展［J］.電源技術(shù)，2015，39（10）:2312-2315.
［3］夏鯤，季諾，曹斯佳.一種鋰電池組均衡充電保護(hù)板設(shè)計(jì)［J］.電氣傳動，2010，40（12）:68-72.
［4］Gallardo-Lozano J，Romero-Cadaval E，Milanes-Montero M I，et al.A Novel Active Battery Equalization Control with On-line Unhealthy Cell Detection and Cell Change Decision［C］//Journal of Power Sources，2015:356-370.
［5］Fabien Mestrallet，Lyubomir Kerachev，Jean-christophe Crebier，et al.Multiphase Interleaved Converter for Lithium Battery Active Balancing［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2014，29（6）:2874-2881.
［6］Chen H，Zhang L，Han Y.System-theoretic Analysis of a Class of Battery Equalization Systems:Mathematical Modeling and Performance Evaluation［J］.Vehicular Technology，IEEE Transactions on，2015，64（4）:1445-1457.
［7］Moura S J，Chaturvedi N A，Krsti M.Adaptive Partial Differential Equation Observer for Battery State-of-charge/Stateof-health Estimation Via an Electrochemical Model［J］.Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，2013（1）: 11-15.
Research on the Modular Equalization Topology and Control Strategy
LIU Xintian，SHEN Ruihua，ZHENG Xinxin，HE Yao，ZENG Guojian
（1.Intelligent Manufacturing Technology Research Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2.College of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250002，Shandong，China）
The equalization of the cells connecting in series can improve the battery life and energy utilization. The active equalization scheme based on the energy transfer inductor has the advantages of simple structure and is easy to control.It is widely applied in the engineering practice.Modular extension of the equalization circuit based on the inductors was done.The permutation and combination of the equalization units could generate multiple kinds of equalization circuit.The working priciple of the generated equalization circuits was analyzed.The comparisons of the circuits were given and the corresponding control strategies were discussed.A general PWM control strategy was proposed，which was simple and high portability.It was applied to all the circuits generated by the equalization units. The simulation and experimental results show that different equalization has different applications.The proposed control strategy can realize active equalization effectively.
cells connecting in series；active equalization；modular；PWM control
TM615
A
10.19457/j.1001-2095.20170515
2016-05-28
修改稿日期：2016-10-22
安徽省國際合作項(xiàng)目（1303063010）
劉新天（1981-），男，博士，副研究員，Email:xintian.liu@rntec.net
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劉新天，沈瑞華，鄭昕昕，何耀，曾國建
（1.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）
模塊化均衡拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯?/p>
劉新天1，沈瑞華2，鄭昕昕1，何耀1，曾國建1
（1.合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，安徽 合肥 230009；2.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250002）
串聯(lián)電池組的均衡能夠提高電池壽命和能量利用率，基于電感的主動均衡策略具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制的優(yōu)點(diǎn)，在工程技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。將基于電感的均衡電路進(jìn)行模塊化擴(kuò)展，對多個(gè)均衡單元進(jìn)行排列組合生成多種均衡電路，分析生成的模塊化均衡拓?fù)涔ぷ髟?，并對不同拓?fù)溥M(jìn)行比較，研究相應(yīng)的控制策略，提出一種通用的脈寬調(diào)制均衡控制方法，其實(shí)現(xiàn)簡單、可移植性高，適用于所有基于均衡單元排列組合所得到的均衡拓?fù)洹７抡婧蛯?shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的模塊化均衡拓?fù)溥m用于不同的應(yīng)用場合，所提出的通用均衡控制方法能夠有效實(shí)現(xiàn)主動式均衡。
串聯(lián)電池組；主動均衡；模塊化；脈沖寬度調(diào)制控制
隨著新能源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，鋰電池作為能量存儲的裝備，被廣泛應(yīng)用于電動汽車、儲能電站等領(lǐng)域［1］。在高壓場合，為達(dá)到所需的電壓等級，通常將鋰電池單體進(jìn)行串聯(lián)工作。由于制造工藝和使用時(shí)間的差異，單體電池之間也存在著差異，這就導(dǎo)致串聯(lián)后的鋰電池組受到單體電池性能的影響，在充放電過程中存在不均等現(xiàn)象，從而降低電池的壽命和能量利用率［2-3］，因此需要對串聯(lián)電池組進(jìn)行均衡控制。
電池均衡分為主動式和被動式均衡2種，其中主動式均衡通過儲能元件或能量轉(zhuǎn)移電路將荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）較高的電池能量釋放給SOC較低的電池單體，在理想情況下能夠?qū)崿F(xiàn)無損均衡［3］。因此，研究高效、可靠的主動式均衡方案對減小能量消耗、提高電池系統(tǒng)能量利用率具有重要的意義。
基于電感的主動式均衡方案具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制等優(yōu)點(diǎn)［4］，目前已得到了一定的應(yīng)用。然而該方案通常采用均衡單元的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，均衡速度慢。目前基于均衡單元的分層結(jié)構(gòu)和多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)也被陸續(xù)提出［5-6］，但缺少對于這些方案的系統(tǒng)比較，且沒有統(tǒng)一的控制方案以提高模塊化均衡的可移植性和可擴(kuò)展性。針對上述問題，本文對基于電感均衡單元的模塊化均衡拓?fù)溥M(jìn)行分析與比較，并給出了通用的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）均衡控制方法。
1 模塊化均衡拓?fù)涞纳?/h2>
1.1 基本均衡單元
圖1給出了基于電感的基本均衡單元，L1為儲能電感，U1和U2為相鄰2節(jié)單體電池的電壓，通常情況下，可用單體電池的電壓表征其SOC［7］。
圖1 基于電感的基本均衡單元Fig.1 Basic equalization unit based on inductor
當(dāng)U1高于U2時(shí)，可近似認(rèn)為單體電池1的SOC高于單體電池2的SOC，需要控制S1導(dǎo)通，單體電池1向電感L1放電，當(dāng)S1關(guān)斷時(shí)，由于流過L1的電流不能突變，則L1，U2和D2形成電流回路，給單體電池2充電，因此通過S1的脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM），能夠?qū)崿F(xiàn)單體電池1向單體電池2的能量轉(zhuǎn)移。
1.2 模塊化均衡拓?fù)?/p>
基于電感的基本均衡單元僅能實(shí)現(xiàn)相鄰2節(jié)單體電池的均衡，因此，通過將基本均衡單元進(jìn)行排列組合，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)串聯(lián)電池組的均衡。
圖2給出了幾種均衡單元排列組合所得到的模塊化均衡拓?fù)?。圖2a所示為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的均衡拓?fù)洌捎诿肯噜?節(jié)電池單體都能夠?qū)崿F(xiàn)均衡，則最終整個(gè)串聯(lián)電池組都能夠達(dá)到均衡，由于能量兩兩傳遞，該拓?fù)涞木馑俣容^慢；圖2b所示為分層結(jié)構(gòu)的均衡拓?fù)?，該拓?fù)涞淖钌弦粚訉㈦姵亟M切割成2組具有同樣數(shù)目的電池小組，通過基本均衡單元實(shí)現(xiàn)這2個(gè)小組的均衡，下層結(jié)構(gòu)以此類推。分層結(jié)構(gòu)能夠加快均衡速度，但電池?cái)?shù)目必須為2的冪次方，故其應(yīng)用場合受到了限制。圖2c所示為多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的均衡拓?fù)?，?dāng)電池單體數(shù)量為N時(shí)，則通過基本均衡單元分別實(shí)現(xiàn)電池單體1電壓和電池單體2～N平均電壓的均衡、電池單體1～2平均電壓和電池單體3～N平均電壓的均衡…以此類推實(shí)現(xiàn)電池單體1～N-1平均電壓和電池單體N電壓的均衡。
圖2 模塊化均衡拓?fù)銯ig.2 The modular equalization topologies
在基本均衡單元中，當(dāng)某個(gè)功率管導(dǎo)通時(shí)，電感流過的電流與該功率管對應(yīng)的電池電壓有關(guān)，圖2中的所有拓?fù)涠际怯苫揪鈫卧M合而成，因此在1個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電流峰值表達(dá)式為
式中:T為開關(guān)周期；d為占空比；∑Ui為功率管對應(yīng)的電池電壓之和。
對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，∑Ui只能為電池單體的電壓，而對于分層結(jié)構(gòu)和多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，∑Ui可以為多個(gè)電池串聯(lián)的電壓。以單體電池1放電過程為例，假設(shè)單體電池2～N電壓相等且小于單體電池1的電壓，各基本均衡單元電感值相等，則對于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，U1放電電流峰值為
對于分層結(jié)構(gòu)，U1放電電流峰值為
對于多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，U1放電電流峰值為
對比式（2）～式（4）可以看出，多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的均衡電流峰值最大，相應(yīng)的均衡速度也最快，串聯(lián)結(jié)構(gòu)的均衡電流峰值最小，相應(yīng)的均衡速度也最慢。
2 均衡拓?fù)涞目刂品椒?/h2>
圖3給出了基本均衡單元的控制方法。
圖3 基本均衡單元的控制方法Fig.3 Control strategy of the equalization unit
圖3a所示為閉環(huán)控制策略，d1，d2分別為S1和S2的驅(qū)動信號；ΔU為U1和U2的電壓差；K為電壓誤差增益，其為正實(shí)數(shù)，目的是放大電壓誤差；誤差輸出信號-KΔU與圖3b所示的正負(fù)三角載波進(jìn)行比較，當(dāng)U1大于U2時(shí)，-KΔU＜0，其不與正三角波相交，故S2始終截止，S1受PWM控制。U1和U2的電壓差越大，-KΔU越小，d1的占空比越大，則U1的放電速度越快，當(dāng)U1小于U2時(shí)可同理分析；圖3c給出了控制流程圖，當(dāng)U1和U2的電壓差絕對值高于一定閥值εmax時(shí)，相應(yīng)的功率開關(guān)管以最大占空比工作，當(dāng)U1和U2的電壓差絕對值低于一定閥值εmin時(shí)，視為實(shí)現(xiàn)均衡，兩開關(guān)都截止，當(dāng)U1和U2的電壓差絕對值在εmax和εmin之間時(shí)，采用閉環(huán)控制策略。
由于上述拓?fù)渚苫揪鈫卧M成，故可以通過控制每個(gè)均衡單元的均衡實(shí)現(xiàn)整個(gè)模塊化均衡拓?fù)涞木?，單個(gè)均衡單元能夠通過統(tǒng)一的控制策略實(shí)現(xiàn)均衡，其仍可用圖3a表示，此時(shí)ΔU不再為U1和U2的電壓差，其表達(dá)式為
式中:k1，k2分別為基本均衡單元2個(gè)功率管對應(yīng)的串聯(lián)電池?cái)?shù)目。
3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
圖4 SOC變換曲線Fig.4 Changing curves of the SOC
搭建基于Matlab/Simulink的仿真平臺，采用4節(jié)單體電池進(jìn)行串聯(lián)，初始SOC值分別為0.6，0.65，0.67和0.7，圖4給出了3種模塊化均衡拓?fù)涞腟OC變化曲線。采用所提出的統(tǒng)一控制策略進(jìn)行控制。可以看出，各種拓?fù)涠寄軌蛴行?shí)現(xiàn)均衡，均衡速度由快至慢依次為多相交錯(cuò)結(jié)構(gòu)、分層結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了理論分析。
圖5給出了基本均衡單元中流過電感的電流，功率管開關(guān)頻率為100 kHz。當(dāng)對應(yīng)的功率管導(dǎo)通時(shí)，電感電流上升，電感儲能；當(dāng)功率管關(guān)斷時(shí)，電感釋放能量，電流下降。
圖5 電感電流波形Fig.5 Current waveform of the inductor
圖6給出了電池組中各單體電壓的分布情況。在圖6a中，電壓的差別較為明顯，當(dāng)加入均衡方案后，如圖6b所示，電池電壓的分布變窄，均衡方案能夠有效實(shí)現(xiàn)電池組的均衡。
圖6 電池電壓分布Fig.6 The distribution of the cell voltages
表1 3種模塊化均衡拓?fù)涞男阅軐Ρ萒ab.1 Comparison of three modular equalization topologies
通過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，給出了3種模塊化均衡拓?fù)涞男阅軐Ρ?，如?所示?？梢钥闯?，多項(xiàng)交錯(cuò)結(jié)構(gòu)均衡速度快，但電流應(yīng)力較大，分層結(jié)構(gòu)性能較為中庸，但對串聯(lián)電池的數(shù)目有要求，故其應(yīng)用場合受到了一定的限制。
4 結(jié)論
本文對基于基本均衡單元的模塊化均衡拓?fù)溥M(jìn)行分析，研究其工作原理和控制策略，并給出了適用于各種拓?fù)涞慕y(tǒng)一控制策略，提高了均衡拓?fù)涞目梢浦残院涂蓴U(kuò)展性。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析，根據(jù)研究得到如下結(jié)論:
1）基于電感能量轉(zhuǎn)移的模塊化均衡拓?fù)渚軌蛴苫揪鈫卧ㄟ^不同的排列組合方式獲得，故其基本均衡原理相同，但能量轉(zhuǎn)移順序不同；
2）根據(jù)不同的能量轉(zhuǎn)移順序能夠?qū)Σ煌馔負(fù)涞木馑俣群途庑蔬M(jìn)行判斷，不同的均衡拓?fù)淠軌蜻m應(yīng)不同的應(yīng)用場合；
3）所提出的統(tǒng)一均衡控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)各種結(jié)構(gòu)均衡拓?fù)涞木?，具有可移植性和可擴(kuò)展性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、高效均衡。
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Research on the Modular Equalization Topology and Control Strategy
LIU Xintian，SHEN Ruihua，ZHENG Xinxin，HE Yao，ZENG Guojian
（1.Intelligent Manufacturing Technology Research Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2.College of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250002，Shandong，China）
The equalization of the cells connecting in series can improve the battery life and energy utilization. The active equalization scheme based on the energy transfer inductor has the advantages of simple structure and is easy to control.It is widely applied in the engineering practice.Modular extension of the equalization circuit based on the inductors was done.The permutation and combination of the equalization units could generate multiple kinds of equalization circuit.The working priciple of the generated equalization circuits was analyzed.The comparisons of the circuits were given and the corresponding control strategies were discussed.A general PWM control strategy was proposed，which was simple and high portability.It was applied to all the circuits generated by the equalization units. The simulation and experimental results show that different equalization has different applications.The proposed control strategy can realize active equalization effectively.
cells connecting in series；active equalization；modular；PWM control
TM615
A
10.19457/j.1001-2095.20170515
2016-05-28
修改稿日期：2016-10-22
安徽省國際合作項(xiàng)目（1303063010）
劉新天（1981-），男，博士，副研究員，Email:xintian.liu@rntec.net
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