周尚麗 紀(jì)鋒 吳鐵洲 常春 熊厚博

摘? 要： 針對電動汽車中鋰離子電池組使用主動均衡電路時，較難在靈活均衡的前提下減少元器件使用數(shù)目并保證高轉(zhuǎn)換效率問題，文中提出帶有均衡電源的主動均衡電路。該電路主要由融合目前優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)陣列、DC?DC變換器以及可以多重利用的均衡電源組成。根據(jù)電池組SOC（State of Charge）的平均值與各單體電池SOC之差是否達(dá)到閾值為依據(jù)，使用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)可以在使用N+1+4個開關(guān)（N為串聯(lián)電池組數(shù)目）和一個雙向DC?DC變換器的前提下對串聯(lián)電池組中任意單體電池進(jìn)行均衡，并且電池在放電均衡時轉(zhuǎn)換效率約為81.6%，電池在充電均衡時轉(zhuǎn)換效率約為84.8%，均達(dá)到目前較高水平。證實(shí)該電路能較好地滿足上述要求。

關(guān)鍵詞： 主動均衡電路; 均衡電源; DC?DC變換器; 開關(guān)陣列; 電池SOC; Matlab/Simulink

中圖分類號： TN715?34; TM912? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）16?0126?05

0? 引? 言

鋰離子電池因其優(yōu)異的性能備受電動汽車青睞[1]。由于在生產(chǎn)以及使用過程中有所差異[2]，需要對電池組進(jìn)行均衡[3]。被動均衡結(jié)構(gòu)簡單，而且經(jīng)濟(jì)、可靠，但受到多方面限制[4]。雖然主動均衡成本較高，但能最大化利用能量，是目前研究的熱點(diǎn)[5]。利用電容或電感儲能元件進(jìn)行均衡，其結(jié)構(gòu)比較簡單，轉(zhuǎn)換效率較高，且易于實(shí)現(xiàn)模塊化[6];但均衡速度較慢，所需元器件較多，而且很難實(shí)現(xiàn)跨電池均衡[7]。利用多繞組變壓器，其均衡速度較快，但有較高電壓電流應(yīng)力，并且存在體積大、價格高、轉(zhuǎn)換效率低等問題[8]。文獻(xiàn)[9]采用單對包結(jié)構(gòu)，均衡較為靈活但轉(zhuǎn)換效率較低。文獻(xiàn)[10]通過比較各種均衡方式，發(fā)現(xiàn)單對單均衡在很多方面都表現(xiàn)不錯。文獻(xiàn)[11]使用反激變換器進(jìn)行均衡，靈活度較高但所需開關(guān)較多。文獻(xiàn)[12]提出的均衡電路，能較好地減少開關(guān)元器件的使用數(shù)目，但卻不夠靈活。文獻(xiàn)[13]通過部分電池放電的方法進(jìn)行均衡，而文獻(xiàn)[14]則為電池分配不同的權(quán)值進(jìn)行均衡。這些方法轉(zhuǎn)換效率很高，而且較為靈活，但是成本較高。

結(jié)合目前主動均衡方法的優(yōu)點(diǎn)，本文提出一種附帶均衡電源的均衡方法。運(yùn)用可以多重利用的均衡電源，配合開關(guān)陣列以及雙向DC?DC變換器的優(yōu)點(diǎn)，針對相應(yīng)的控制策略進(jìn)行仿真，證實(shí)該方法能夠在實(shí)現(xiàn)靈活均衡的前提下使用較少元器件，達(dá)到較高轉(zhuǎn)換效率的目的。

1? 均衡電路圖及其分析與評價

1.1? 均衡電路圖

圖1為本文提出的均衡電路圖，可以看到，其由儲能電池組、開關(guān)陣列、雙向DC?DC變換器以及均衡電池組組成。

均衡電源被拆分成多個均衡電池組，分別對各組儲能電池進(jìn)行均衡。均衡電池組所使用的單體電池與儲能電池一樣或相似。均衡電池組采用單節(jié)電池時，雙向DC?DC變換器中開關(guān)給定的PWM控制信號占空比趨于非常大或非常小兩個極端，故一般需要根據(jù)實(shí)際情況，采用兩節(jié)及以上電池串聯(lián)成為均衡電池組。

開關(guān)陣列被分為兩組，第一組有N+1個開關(guān)，其中N為儲能電池組單體電池數(shù)目。與儲能電池相連時，除首末開關(guān)外，其余的開關(guān)均與電池的負(fù)極和下一節(jié)電池的正極相連。第二組有4個開關(guān)，其中S1和S4為一組，S2和S3為另一組，均與雙向DC?DC變換器相連，控制接入的極性。在N節(jié)電池串聯(lián)的情況下，相較于傳統(tǒng)的為每節(jié)電池配兩個開關(guān)的方法，本方法可以通過4個控制極性的開關(guān)來減少傳統(tǒng)方法中N-1個開關(guān)的使用數(shù)目。當(dāng)串聯(lián)電池數(shù)目較多時，該方法的優(yōu)異性會更加明顯。

圖1中的雙向DC?DC變換器工作原理非常簡單。當(dāng)開關(guān)T1始終處于斷開狀態(tài)時，開關(guān)T2，二極管VD1和電感電容組成Boost電路;同理，當(dāng)開關(guān)T2始終斷開時，開關(guān)T1，二極管VD2和電感電容組成Buck電路。

1.2? 工作原理分析及評價

假設(shè)儲能電池組中單體電池B1的SOC過高，此時需要將其電荷轉(zhuǎn)移到均衡電池組中。使控制B1電池正負(fù)極的開關(guān)K1和K2，以及控制雙向DC?DC變換器接入極性的開關(guān)S1與S4閉合。雙向DC?DC變換器工作于Boost電路模式下，B1電池的部分電荷將會被轉(zhuǎn)移到均衡電池組中，如圖2所示。

當(dāng)儲能電池組中B2電池SOC較低時，使控制B2電池正負(fù)極的開關(guān)K2和K3，以及控制極性的開關(guān)S2和S3閉合。雙向DC?DC變換器工作于Buck電路模式下，電荷將通過雙向DC?DC變換器從均衡電池組轉(zhuǎn)移到B1電池中，如圖3所示。

注意到對電池B1和B2進(jìn)行均衡時，都用到開關(guān)K2，開關(guān)K2既可以控制電池B1的均衡，又可以控制電池B2的均衡?？梢钥吹?，該均衡電池組配合開關(guān)陣列以及雙向DC?DC變換器，在任何時刻可以很方便地對SOC高的單體電池進(jìn)行放電均衡，或者對SOC低的單體電池進(jìn)行充電均衡。

轉(zhuǎn)換效率方面，目前主動均衡電路損耗公式為：

[P=Ps+Pm+Pe]? （1）

式中：P為總損耗;Ps為開關(guān)陣列中開關(guān)損耗;Pm為均衡主器件損耗;Pe為其他損耗。

本文所使用的均衡電路，Ps為4個開關(guān)的損耗，Pe大部分為均衡時電池內(nèi)阻的損耗。相較于目前大部分均衡電路，基本可以實(shí)現(xiàn)損耗最小化，而且由于本文所使用的元器件數(shù)目較少，更多情況下滿足：

[Ps0+Pe0≥Ps+Pe] （2）

式中，Ps0+Pe0為目前大部分均衡電路中開關(guān)損耗和其他損耗之和。

式（1）中Pm在此處為雙向DC?DC變換器的損耗，由于本文所使用的均衡電路屬于單對單型，功率小，損耗也較小。相較于目前大部分均衡電路，更多情況下滿足：

[Pm0≥Pm]? ? ? （3）

式中，Pm0為目前大部分均衡電路中均衡主器件損耗，由于本文所用雙向DC?DC變換器數(shù)目少，還可以使用軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)一步降低損耗。

由式（2）和式（3）易知，本文提出的均衡電路理論上可以達(dá)到目前轉(zhuǎn)換效率的較高水平，公式為：

[P0≥P]? ?（4）

2? 均衡電源多重利用

圖4為均衡電源在電動汽車電池組中的示意圖。

從圖4可以看到，各儲能電池組串聯(lián)構(gòu)成均衡電源，均衡電源通過升壓變換器為電動汽車提供電量。均衡電源除了可以為電池組進(jìn)行均衡外，還可以成為電動汽車備用電源，可以在任何時刻為能量母線提供電量。特別是在電動汽車處于爬坡、加速等需要大功率情形時，該備用電源的加入可以減輕儲能電池組的負(fù)擔(dān)，以達(dá)到延長儲能電池組使用壽命的目的。若電動汽車某儲能電池組因損壞退出運(yùn)行時，該均衡電源還可以充分發(fā)揮其備用電源的作用，代替損壞的儲能電池組，提高電動汽車運(yùn)行的可靠性。由于均衡電源單體電池數(shù)目較少，不均衡度較大，可以采用文獻(xiàn)[14]的方法進(jìn)行均衡。

3? 仿真結(jié)果分析

為證實(shí)所提出均衡電路的可行性，使用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真。用4節(jié)單體電池串聯(lián)代替儲能電池組。均衡電池組和儲能電池組所用電池均采用文獻(xiàn)[15]的參數(shù)，如表1所示。

文獻(xiàn)[15]采用鎳鈷鋁三元鋰離子電池進(jìn)行實(shí)驗，發(fā)現(xiàn)單體電池循環(huán)壽命期間所需均衡的電荷量約為1.13 A·h。使用該電池時，考慮較為極端的情況，取電動汽車電池組循環(huán)次數(shù)為500次，串聯(lián)電池組數(shù)目為135節(jié)，其中母線電壓為500 V。此時電池組一次循環(huán)期間所需電荷約為0.31 A·h，約為單體電池容量的11.1%?？紤]到鋰離子電池參數(shù)服從正態(tài)分布，并且均衡電池組更多情況下是充當(dāng)媒介的作用，將高SOC的單體電池電荷轉(zhuǎn)移到低SOC電池中去，故儲能電池組一次循環(huán)期間所需均衡電池組的電荷要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于計算值?？紤]成本以及控制方面，本仿真中均衡電池組用兩節(jié)串聯(lián)電池代替。

本仿真4節(jié)單體儲能電池的初始SOC分別設(shè)定為72%，70%，68%，70%，均衡電池組中單體電池SOC均設(shè)定為70%。當(dāng)單體儲能電池的SOC與平均SOC之差達(dá)到1.5%時，啟動均衡。在實(shí)際情況中為防止出現(xiàn)容量差異導(dǎo)致重復(fù)均衡的情況發(fā)生，比如低容量的單體電池在其高SOC時進(jìn)行放電均衡，但一段時間后其SOC可能會低于平均值，此時又要進(jìn)行充電均衡，這樣會導(dǎo)致能量的浪費(fèi)。故將單體電池SOC與平均SOC之差均衡到1%即可。均衡時互鎖，即任意時刻只能有1節(jié)電池處于均衡狀態(tài)。

圖5從上到下分別是儲能電池組中第1、第2、第3和第4節(jié)單體電池的SOC變化曲線。由于電池組處于帶負(fù)載狀態(tài)，第2和第4節(jié)電池的SOC逐漸下降，但是下降得并不多，可以忽略不計。從圖5中可以看到，第1節(jié)電池的SOC首先在下降，處于放電均衡狀態(tài)。由于設(shè)定均衡互鎖，即使第三節(jié)電池需要均衡，也只能等到第1節(jié)電池均衡結(jié)束后才能啟動。經(jīng)過約64 s，下降約1.3%的電荷，約為36.4 mA·h。從約64 s后，第3節(jié)電池的SOC開始上升，處于充電均衡狀態(tài)。大約到143 s時，其SOC上升約0.9%，約為25.2 mA·h。此時電池組各單體電池的SOC已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的均衡條件，均衡完畢。當(dāng)然，可以通過提高均衡電流來減少均衡時間，也可以通過減小設(shè)定的均衡閾值來使電池組單體電池更加趨近電池組平均SOC，但是這會降低電池組整體均衡轉(zhuǎn)化效率。

對于均衡電池組SOC變化情況，任取兩節(jié)電池中的一節(jié)觀測其SOC變化即可，如圖6所示。

由圖6可知，均衡電池組中單體電池SOC先上升約0.53%，這是因為第1節(jié)單體電池在此刻處于放電狀態(tài)。當(dāng)?shù)?節(jié)電池均衡到設(shè)定的閾值時，停止均衡。均衡電池組獲得的電荷約29.7 mA·h，隨后第3節(jié)電池啟動充電均衡，均衡電池組單體電池SOC開始下降。當(dāng)?shù)?節(jié)電池SOC達(dá)到均衡設(shè)定的閾值時，均衡完畢。

對于第1和第3節(jié)電池，其初始SOC均與電池組平均SOC相差2%。均衡后，第1節(jié)電池的SOC約為70.7%，第3節(jié)電池的SOC約為68.9%。第1節(jié)電池將其1.3%的電荷轉(zhuǎn)移給均衡電池組，隨后均衡電池組再將這些電荷轉(zhuǎn)移給第3節(jié)電池。由于經(jīng)過兩次均衡后均衡電池組的SOC基本保持不變，可以認(rèn)為第1節(jié)電池被轉(zhuǎn)移的電荷全部轉(zhuǎn)移給第3節(jié)電池，均衡電池組在這種情況下僅僅只是充當(dāng)著媒介的作用。

下面計算轉(zhuǎn)換效率。假設(shè)有兩節(jié)單體電池B1和B2，若將B1電池的部分電荷轉(zhuǎn)移到B2電池中，其中Ql為B1電池?fù)p失的電荷量，Qg為B2電池獲得的電荷量。易知在電荷轉(zhuǎn)移的層面上，轉(zhuǎn)換效率為：

[η=QgQl×100%] （5）

結(jié)合式（5），兩次均衡、單體電池放電均衡以及充電均衡情況分別如表2所示。

兩次均衡時，Qg為第3節(jié)電池獲得的電量，Ql為第1節(jié)電池失去的電量。放電均衡時，Qg為均衡電池組獲得的電量，Ql為第1節(jié)電池失去的電量。充電均衡時，Qg為第3節(jié)電池獲得的電量，Ql為均衡電池組失去的電量。由于均衡電路所使用的元器件較合理，均衡轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到目前較高水平。

4? 結(jié)? 語

本文所提出的附帶均衡電源的主動均衡電路，對于N節(jié)電池串聯(lián)的儲能電池組，運(yùn)用均衡電源的多重利用，能夠在使用N+1+4個開關(guān)以及一個雙向DC?DC變換器的前提下，實(shí)現(xiàn)任意單體電池的均衡。其中所附帶的均衡電源不僅僅可以對電池組進(jìn)行均衡，還可以充分發(fā)揮其備用電源的優(yōu)勢，延長電池組使用壽命，提高電池組運(yùn)行可靠性。使用Matlab/Simulink軟件進(jìn)行仿真，證實(shí)所提出電路的可行性。雖然該電路較好地同時解決了主動均衡電路中的大部分難題，但卻存在同一時刻只能對一節(jié)電池進(jìn)行均衡的缺點(diǎn)，這是未來需要研究解決的問題。

參考文獻(xiàn)

[1] WANG Y J， ZHANG C B， CHEN Z H. An adaptive remaining energy prediction approach for lithium?ion batteries in electric vehicles [J]. Journal of power sources， 2016， 305： 80?88.

[2] CHEN Y， LIU X F， CUI Y Y， et al. A multiwinding transformer cell?to?cell active equalization method for lithium?ion batteries with reduced number of driving circuits [J]. IEEE transactions on power electronics， 2016， 31（7）： 4916?4929.

[3] WEI J W， DONG G Z， CHEN Z H， et al. System state estimation and optimal energy control framework for multicell lithium?ion battery system [J]. Applied energy， 2017， 187： 37?49.

[4] QI J， LU D D C. A preventive approach for solving battery imbalance issue by using a bidirectional multiple?input Cuk converter working in DCVM [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2017， 64（10）： 7780?7789.

[5] LEE K M， LEE S W， CHOI Y G， et al. Active balancing of Li?ion battery cells using transformer as energy carrier [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2017， 64（2）： 1251?1257.

[6] ZHENG X X， LIU X T， HE Y， et al. Active vehicle battery equalization scheme in the condition of constant?voltage/current charging and discharging [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2017， 66（5）： 3714?3723.

[7] CHEN H Q， ZHANG L， HAN Y H. System?theoretic analysis of a class of battery equalization systems： mathematical modeling and performance evaluation [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2015， 64（4）： 1445?1457.

[8] ZHANG Z L， GUI H D， GU D J， et al. A hierarchical active balancing architecture for lithium?ion batteries [J]. IEEE transactions on power electronics， 2017， 32（4）： 2757?2768.

[9] CUI X D， SHEN W X， ZHANG Y L， et al. Novel active LiFePO4 battery balancing method based on chargeable and dischargeable capacity [J]. Computers & chemical engineering， 2017， 97： 27?35.

[10] BARONTI F， RONCELLA R， SALETTI R. Performance comparison of active balancing techniques for lithium?ion batteries [J]. Journal of power sources， 2014， 267： 603?609.

[11] HANNAN M A， HOQUE M M， PENG S E， et al. Lithium?ion battery charge equalization algorithm for electric vehicle applications [J]. IEEE transactions on industry applications， 2017， 53（3）： 2541?2549.

[12] KIM M Y， KIM J H， MOON G W. Center?cell concentration structure of a cell?to?cell balancing circuit with a reduced number of switches [J]. IEEE transactions on power electronics， 2014， 29（10）： 5285?5297.

[13] BOUCHHIMA N， SCHNIERLE M， SCHULTE S， et al. Active model?based balancing strategy for self?reconfigurable batteries [J]. Journal of power sources， 2016， 322： 129?137.

[14] HUANG W X， QAHOUQ J A A. Energy sharing control scheme for state?of?charge balancing of distributed battery energy storage system [J]. IEEE transactions on industrial electronics， 2015， 62（5）： 2764?2776.

[15] CAMPESTRINI C， KEIL P， SCHUSTER S F， et al. Ageing of lithium?ion battery modules with dissipative balancing compared with single?cell ageing [J]. Journal of energy storage， 2016， 6： 142?152.