徐元中，郭 純，吳鐵洲，徐思云

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430068)

為解決燃油汽車尾氣造成的環(huán)境污染、全球變暖等問題，全世界汽車都朝著新能源和電動化發(fā)展[1]。在新能源汽車領(lǐng)域，電池電源系統(tǒng)是整車的動力源泉，因此對電池電源系統(tǒng)的研究具有十分重要的意義[2]。由于單節(jié)鋰離子電池的電壓很小，一般需要將多個單體鋰離子電池進行串、并聯(lián)組合，這樣才能得出符合相應(yīng)功率需求和電壓的鋰離子電池組。受電池制造工藝的影響，同一批次生產(chǎn)的單體電池性能指標(biāo)也可能存在差異，當(dāng)這些單體電池串并聯(lián)組成電池組投入使用后，隨著使用次數(shù)的增加，電池組的不一致性將會體現(xiàn)得更加明顯，這將導(dǎo)致容量較小的單體電池過充過放、容量較大的單體電池欠充欠放，造成能量的浪費，縮短電池組使用壽命，甚至可能會由于溫度過高造成爆炸事故等[3-5]。電池組均衡可以減小電池組的不一致性，延長電池組的使用壽命，提高能量利用率，同時保障電池組能安全穩(wěn)定地運行[6]。

均衡電路按照是否耗能可以分為兩種類型，一個是能耗式均衡(即被動均衡)，另一個是非能耗式均衡(即主動均衡)。被動均衡是利用旁路電阻消耗高能量單體中多余的的能量從而達到均衡的目的，它的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單且成本較低，其缺點是能量損耗大[7]。主動均衡主要是通過電容、電感、變壓器、DCDC 變換器等非能耗式儲能元件將高能量單體中多余的能量轉(zhuǎn)移到低能量單體中從而達到均衡的目的。其中，將電感作為中間儲能元件的均衡電路[8]，具有均衡電流大、電路易擴展等優(yōu)點。文獻[9]基于開關(guān)電感的Buck-Boost 電路，提出了自由成組分層均衡技術(shù)，該電路可以實現(xiàn)電池任意組合均衡，但存在大量的開關(guān)損耗，造成能量利用率低。文獻[10]利用電感和反擊式變壓器設(shè)計了一種新型分層均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)電感只能實現(xiàn)相鄰單體電池間均衡的弊端，但其缺點是變壓器成本高且控制較復(fù)雜。文獻[11]利用改進的Buck-Boost 結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了從第一個單體電池和最后一個單體電池間的能量傳遞。文獻[12]基于分層均衡電路提出了組內(nèi)組間同時均衡和分層均衡這兩種均衡策略，通過學(xué)習(xí)該文獻為本文研究的分層均衡策略奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)于均衡控制策略，是指將均衡變量作為電池組是否達到一致的判斷依據(jù)。均衡變量包括電壓、電池剩余容量和SOC[13]。其中，將電壓作為均衡變量是應(yīng)用最早的一種均衡方式，雖然電壓均衡簡單實用，但電池端電壓在使用的過程中受多種因素的影響，波動很大，因此該種均衡方法效果并不太理想。將電池實際剩余容量作為均衡判斷依據(jù)，當(dāng)電池剩余容量不同時，電池組內(nèi)會存在部分單體電池出現(xiàn)過充過放現(xiàn)象從而損害電池性能。相比于前兩者，電池的SOC 能更準(zhǔn)確地反映電池的不一致性。

綜上所述，為解決均衡電路中存在的均衡速度慢、均衡時間長等問題，本文結(jié)合開關(guān)電感法中Buck-Boost 結(jié)構(gòu)和多分層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種基于Buck-Boost 電路的鋰離子電池分層均衡技術(shù)，選用電池SOC 的值作為是否啟動均衡系統(tǒng)的判斷依據(jù)，對電池組進行分層分組，根據(jù)分組情況，設(shè)置每層均衡控制方法，采用逐層均衡策略，最終實現(xiàn)電池組均衡。

1 均衡電路及其原理

1.1 均衡電路

傳統(tǒng)的單層均衡拓?fù)淙鐖D1(a)所示，其在進行電池組均衡時一般只在同一層次上相鄰單體電池間進行能量傳遞，存在能量傳輸通道單一的問題。而雙層均衡拓?fù)潆m然解決了能量傳輸通道單一的問題，但是當(dāng)電池組單體電池數(shù)量龐大時，需同時打開均衡器開關(guān)數(shù)多，這樣會造成同一時刻大量的開關(guān)損耗，影響均衡速度。為提高均衡速度、縮短均衡時間，本文基于分層均衡策略的原理，提出了基于開關(guān)電感的Buck-Boost 分層均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示，它解決了同一時刻開關(guān)損耗大的問題，根據(jù)電池組實際情況，將電池組分為多層，采用逐層均衡的均衡策略，最終實現(xiàn)整個電池組均衡的目的。

圖1 傳統(tǒng)單層均衡與雙層均衡拓?fù)鋱D

圖2 分層均衡拓?fù)鋱D

1.2 均衡原理

本文選取了以Buck-Boost 變換器作為分層均衡電路的均衡器，它由兩個MOSFET 開關(guān)與電感組成，其結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。分層均衡電路的第一層最小均衡單元如圖3(b)所示，該均衡拓?fù)渲饕獞?yīng)用開關(guān)和電感協(xié)作完成能量轉(zhuǎn)移。

圖3 均衡器與最小均衡單元結(jié)構(gòu)圖

DC-DC 變換器有兩種工作模式。第一種工作模式:電流連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，如圖4(a)所示。第二種工作模式:電流斷續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Current Mode，DCM)，如圖4(b)所示。為了避免出現(xiàn)電磁飽和現(xiàn)象，均衡模塊將選擇工作在電流斷續(xù)導(dǎo)通模式，在此工作模式下，均衡器中電感可以在開關(guān)關(guān)斷時間釋放開關(guān)導(dǎo)通時所有吸收的全部能量。

圖4 DC-DC 變換器的兩種工作模式

圖3 中iL1為流過電感L1的電流。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時，電池給電感充電，此時電感電壓為VC；當(dāng)開關(guān)管斷開時，電感給相應(yīng)的電池充電，此時電感電壓為Vd。VD為開關(guān)管的正向?qū)妷海琑on為通過開關(guān)管導(dǎo)通時的回路總電阻，Roff為通過開關(guān)管關(guān)斷時的回路總電阻，T為一個開關(guān)周期。假設(shè)電池B1的能量高于電池B2，此時均衡過程可以分為2 個階段:

第一階段(0～ton):導(dǎo)通開關(guān)S1，關(guān)斷開關(guān)S2，此時工作狀態(tài)電路圖如圖5 所示。此時電池B1、開關(guān)管S1、電感L1形成回路，電池B1將多余的能量轉(zhuǎn)移到電感L1上，電感將這些能量以磁能的形式保存起來，電感電流iL1增大。在該階段中，電感L1的電壓和電流如下式所示:

圖5 第一階段工作狀態(tài)電路圖

第二階段(ton～T):當(dāng)t＝ton時iL1達到最大值ip。將S1開關(guān)關(guān)斷，此時工作狀態(tài)電路圖如圖6 所示，電感L1通過續(xù)流二極管D2給電池B2充電，電感L1電流iL1減小。在該階段中，電感L1的電壓和電流如下式所示:

圖6 第二階段工作狀態(tài)電路圖

由于VD、Ron、Roff的值非常小，可忽略不計。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時，電感電流線性增加；當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時，電感電流線性減小。各階段電感電流可以簡化為:

式(7)中:D為占空比，T為開關(guān)周期。為了拓?fù)渲芯馄鞫脊ぷ髟贒CM 模式下，即在td時刻電感電流下降為0，且td＜T。由此，推導(dǎo)出對應(yīng)均衡器的占空比需要滿足以下不等式:

控制開關(guān)管MOSFET 導(dǎo)通與關(guān)斷的是PWM 信號，PWM 波的占空比直接影響著均衡速度，由電池均衡電路工作原理知，在電池間進行能量傳遞，當(dāng)VC與Vd的比值最小時，此時計算出占空比D為最大值。

2 均衡分組

假設(shè)電池組共有N個單體電池，本文將電池組分為多層，并采用逐層均衡的方法。第一層:將電池組分成M個子模塊，當(dāng)N為偶數(shù)時，每個子模塊由兩個單體電池組成，當(dāng)N為奇數(shù)時，除了落單的單體電池最近的子模塊由三個單體電池組成，其他的均由兩個單體電池組成。第二層:當(dāng)M為偶數(shù)時，相鄰的兩個子模塊和一個均衡器組成一個新的均衡單元；當(dāng)M為奇數(shù)時，落單的子模塊與相鄰的子模塊也會組成新的一個均衡單元；以此類推，經(jīng)過層層遞進最后達到均衡的目的。以電池組所包含的單體電池個數(shù)為8、9 為例，用圖畫的形式表達均衡分組情況，如圖7 所示。

圖7 電池組均衡分組情況

當(dāng)電池組單體電池數(shù)目為8 時，第一層將電池組分為兩兩一組；第二層將相鄰的兩個子模塊(包含兩個單體電池)組合成新的一個子模塊，這時可以分成四四一組；第三層將第二層四四分組的子模塊用均衡器將其連接起來，組成一個新的均衡模塊。

當(dāng)電池組單體電池數(shù)目為9 時，第一層先將電池組分為兩兩一組，最后一組由3 個單體電池組成，即分布情況為2、2、2、3(其中2、3 均為每個子模塊中包含單體電池的數(shù)目)；第二層將相鄰的兩個子模塊重新組合成新的一個子模塊，此時分布情況為:一組為2 與2 組合，另一組為2 與3 組合；由于第二層均衡完成以后前4 個電池性能基本一致，將這4個單體電池組成一個新的子模塊，同理后5 個單體電池組成一個子模塊，第三層將4 與5 用均衡器連接起來，進行能量傳遞，最后實現(xiàn)整個電池組均衡。

3 均衡控制策略

根據(jù)上述均衡分組情況制定相應(yīng)的均衡策略，以單體電池SOC 作為均衡變量，采用平均值差值比較法和極差相結(jié)合的均衡方案，進行逐層均衡，均衡策略流程圖如圖8 所示。

圖8 均衡策略流程圖

均衡控制方法具體實現(xiàn)步驟如下:

①利用電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器對電池組電流、電壓、溫度等參數(shù)進行采集；

②電池組進行分層分組，并設(shè)置均衡閾值，采用卡爾曼濾波算法估計各單體電池Bi的SOC，查找到各子模塊Mj中SOC 最大值SOCMax和最小值SOCMin的單體電池，并計算各子模塊所包含單體電池SOC的平均值

③根據(jù)分組情況，進行逐層均衡。首先第一層，當(dāng)兩個相鄰單體電池SOC 的差值超出均衡閾值時，開啟第一層均衡，否則第一層均衡結(jié)束。第一層均衡完成，又滿足第二層均衡開啟條件，即當(dāng)相鄰兩個子均衡模塊SOC 的平均值的差值超出均衡閾值時，此時開啟第二層均衡；當(dāng)每個子均衡模塊中單體電池SOC 的最大值與最小值的差值小于閾值時，第二層均衡結(jié)束。接下來均衡第三層，以此類推，層層遞進。

④均衡100 s 后，停止均衡，回到步驟②；若SOC 的偏差值沒有超出閾值，則均衡結(jié)束。

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 均衡實驗

基于MATLAB/Simulink 仿真實驗平臺，分別選用8 節(jié)和9 節(jié)鋰離子電池做了本文提出的分層均衡實驗，其中用8 節(jié)鋰離子電池做的仿真實驗如圖9所示，同時選用8 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實驗和雙層均衡實驗，如圖10 所示，其中鋰離子電池模型為實驗平臺MATLAB/Simulink 提供的電池(Battery)模塊，設(shè)置鋰離子電池的額定電壓為3.7 V，上限截止電壓為4.2 V，電感為200 μH，開關(guān)頻率為8 kHz。

圖9 分層均衡的仿真實驗圖

圖10 傳統(tǒng)均衡拓?fù)涞姆抡鎸嶒瀳D

4.2 實驗分析

選用8 節(jié)鋰離子電池和9 節(jié)鋰離子電池做了本文提出的分層均衡實驗，同時還用8 節(jié)鋰離子電池和9 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實驗和雙層均衡實驗來做對比。鋰離子電池組各單體電池初SOC 的取值，如表1 所示。

表1 鋰離子電池組各單體電池初始SOC

用8 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實驗、雙層均衡實驗和分層均衡實驗，其均衡過程中各單體電池SOC 變化情況分別如圖11(a)、圖11(b)和圖11(c)所示。

圖11 采用8 節(jié)單體鋰離子電池的實驗結(jié)果圖

采用8 節(jié)單體鋰離子電池做均衡仿真實驗，初始狀態(tài)下，電池組SOC 的均值為81.87%，當(dāng)電池組均衡后，其實驗數(shù)據(jù)如表2 所示，本文分層均衡所用均衡時間比傳統(tǒng)單層和雙層均衡分別縮短了288.54 s 和44.86 s，均衡速度分別提高了86.86%和50.67%；根據(jù)各單體電池的SOC 初始值和已均衡時SOC 的平均值，可得本文分層均衡相較于傳統(tǒng)單層和雙層均衡，能量轉(zhuǎn)移效率分別提高了13.65%和5.38%。

表2 采用8 節(jié)單體電池均衡實驗數(shù)據(jù)

用9 節(jié)鋰離子電池分別做了傳統(tǒng)單層均衡實驗、雙層均衡實驗和分層均衡實驗，其均衡過程中各單體電池SOC 變化情況分別如圖12(a)、圖12(b)和圖12(c)所示。

圖12 采用9 節(jié)單體鋰離子電池的實驗結(jié)果圖

采用9 節(jié)單體鋰離子電池做均衡仿真實驗，初始狀態(tài)下，電池組SOC 的均值為80.78%，當(dāng)電池組均衡后，其實驗數(shù)據(jù)如表3 所示，本文分層均衡所用均衡時間比傳統(tǒng)單層和雙層均衡分別縮短了315.98s 和48.78s，均衡速度分別提高了84.08%和44.92%；根據(jù)各單體電池的SOC 初始值和已均衡時SOC 的平均值，可得本文分層均衡相較于傳統(tǒng)單層和雙層均衡，能量轉(zhuǎn)移效率分別提高了21.3%和9.22%。

表3 采用9 節(jié)單體電池均衡實驗數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本文針對鋰離子電池組均衡過程中速度慢的問題，結(jié)合開關(guān)電感的Buck-Boost 電路和分層均衡原理，設(shè)計了基于Buck-Boost 分層均衡方案，實驗結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)單層和雙層Buck-Boost 均衡電路，本文設(shè)計的分層均衡方案可以現(xiàn)實電池組在更短時間內(nèi)達到均衡的目的，提高了均衡速度，同時也提高了均衡過程中的能量轉(zhuǎn)移效率。