动力电池组分组式均衡方案研究

甘正飞，胡社教

(合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009)

动力电池组分组式均衡方案研究

甘正飞，胡社教

(合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009)

为了提高电动汽车的续航里程，延长动力电池组的使用寿命，针对各单体电池间的不一致性问题，以buck-boost变换器法与传统多变压器法为基础，提出一种新型的分组式双向均衡方案，此方案在电池充电和放电阶段都能实现均衡。给出了以SOC为参量的控制策略，并在Matlab-Simulink环境下搭建均衡模型，进行仿真实验，结果验证了此方案的可行性。

动力电池组；分组均衡；均衡控制；Simulink仿真

随着石油资源的匮乏和燃油汽车尾气排放量的日益增多，电动汽车的发展越来越受到国家和地方政府的重视。电动汽车的动力电池组由大量的单体锂电池串联而成，在使用过程中，由于制作工艺和工作环境等因素，各单体电池之间的性能存在着不一致性。这种不一致性会造成电池组在充放电时，个别单体电池过充或过放，进而会导致该电池性能恶化，缩短电池的工作寿命，严重时会损害整个电池组[1]。因此，在电池组充放电时，对其进行均衡控制显得尤为重要。

传统的均衡方式有被动均衡和主动均衡两种。被动均衡是目前运用在实际中最多的均衡方式，其结构简单，成本低廉，且易于控制，但是存在着能量损耗和热管理困难等问题[2]。主动均衡是通过电感或电容等储能元件把多余的能量储存起来，并由控制器控制开关管实现能量在电池组或单体电池之间转移的一种均衡方式，它不以消耗能量为代价，是当前均衡研究的重点。

目前，国内外学者已经对主动均衡进行了广泛的研究，并提出了多种典型方案。文献[3]介绍的飞度电容法，把电容作为储能元件，运用组合开关使能量在任意两节单体电池之间进行转移，这种方法弥补了传统电容法只能实现相邻单体电池之间转移能量的不足，但是其本身也存在着均衡电流不可控制，均衡效率不高等缺点。文献[4]介绍了一种基于单变压器的均衡方法，这种方法能实现电池组的双向均衡，但其采用的是次级多绕组变压器，使电路设计变得困难，而且也存在着单变压器均衡效率不高的缺点。

本文首先分析buck-boost变换器法和传统多变压器法的工作原理，结合两者的特点，提出一种新型的分组式双向均衡方案，并通过仿真实验来证明此方案可以达到预期效果，实现动力电池组的能量平衡。

1 buck-boost均衡电路与多变压器均衡电路工作原理

1.1 buck-boost变换器法

buck-boost变换器法是利用电感作为储能元件，通过电感的储能与放能，使能量在相邻的单体电池之间进行转移，从而达到能量的平衡[5]。图1为buck-boost变换器法的均衡原理图。

B1、B2、B3表示单体电池，电感L1与L2为储能元件，Q1、Q2、Q3为用于均衡控制的MOSFET，D1、D2、D3、D4为续流二极管。

工作原理：以电池B1的能量高于电池B2为例，均衡过程分为两个阶段。第一阶段，开启Q1，此时B1、Q1、L1形成回路，电池B1放能，电感L1储能；第二阶段，关闭Q1，此时L1、B2、D2形成回路，电感L1放能，通过续流二极管D2给电池B2充能。通过不断的控制Q1的状态来实现能量从B1向B2的转移。同理，当B2的能量高于B1时，可以控制Q2来转移能量。

图1 buck-boost变换器法均衡原理图

这种方法能够快速地实现相邻单体电池之间的能量平衡，且在充电阶段和放电阶段均可适用。但是，如果需要均衡的两节电池不是相邻时，则需要借助于“中间”电池来完成。如图1中，当要把电池B1的能量转移到电池B3时，首先要把B1中多余能量转移到B2，再由B2转移到B3。在相隔电池数较多的情况下，此方法的均衡效率会明显下降，均衡时间也会大幅增长，而且在均衡过程中，给“中间”不需要均衡的电池循环地充放电，也无形中缩短了电池的使用寿命。因此，buck-boost变换器法仅适用于少量电池的快速均衡。

1.2 多变压器法

多变压器法是利用反激式变压器作为能量载体，通过电能与磁能之间的转换，使能量在单体电池与电池组之间形成转移，从而达到能量的平衡[6]。以三节电池成组为例，图2给出了多变压器法均衡原理图。

图2 多变压器法均衡原理图

T1、T2、T3为反激式变压器，Q11～Q32为用于均衡控制的MOSFET，D11～D32为续流二极管。

与buck-boost变换器法一样，多变压器法适用于充电均衡和放电均衡。充电均衡时，是将能量高的单体电池中多余的能量转移到电池组中；放电均衡时，是将电池组中的能量转移到能量低的单体电池中。

工作原理：充电均衡，以电池B1的能量偏高为例，均衡过程分为两个阶段。第一阶段，开启Q12，B1中“多余”的能量以磁能的形式存储在变压器T1的次级电感中，初级绕组上的感应电压由于D11的反向偏置而被阻断；第二阶段，关闭Q12，次级绕组两端电压极性反向，初级绕组上的电压极性也同时反向，促使D11导通，存储在变压器中的能量以电能的形式释放到电池组中。放电均衡，以电池B2的能量偏低为例，同样，均衡过程分为两个阶段。第一阶段，开启Q21，来自电池组中的能量以磁能的形式存储在变压器T2的初级电感中，次级绕组上的感应电压由于D22的反向偏置而被阻断；第二阶段，关闭Q21，初级绕组两端电压极性反向，次级绕组上的电压极性也同时反向，促使D22导通，存储在变压器中的能量以电能的形式释放到B2中。

这种方法实现的是单体电池与电池组之间的能量均衡。优点是，同一时间能够有多节单体电池进行均衡，均衡效率较高。缺点是，每一个单体电池都需要对应一个反激变压器，导致整体电路庞大，而且还会加剧漏感现象。

2 新型分组式均衡方案的设计与分析

2.1 均衡原理图

结合buck-boost变换器法与多变压器法的特点，采取分组式均衡方式，把整个电池组n节单体电池分成若干子组。其中，每个电池子组均含有m节单体电池，即共有n/m个电池子组。以三个电池子组串联为例，图3给出新型主动均衡电路的原理图。

图3 新型分组式均衡电路原理图

系统均衡分为两个阶段：首先，采用buck-boost变换器法对每个电池子组内部各单体电池进行均衡；然后，采用多变压器法对整个电池组进行均衡。

这种方法不仅继承了buck-boost变换器法和多变压器法可实现充电均衡与放电均衡的优点，而且还避免了前者在电池过多的情况下均衡效率偏低，及后者采用变压器过多造成体积庞大及漏感的缺点。

2.2 均衡控制策略

系统的均衡共有两个阶段：组内均衡和组间均衡(整体均衡)。图4为均衡控制流程图。

均衡的目的是改善单体电池之间能量的不一致性，提高电池组的容量利用率。而判断能量是否平衡的依据主要有电池的外电压和SOC两种。以外电压为依据的均衡策略实现简单，运用较广，但电池的外电压受电池内部直流内阻和极化电压的影响，并不能很好地反应电池的能量情况。电池的SOC表示的是电池当前的荷电状态，以SOC为依据的均衡策略是以减小电池之间SOC的差异为目的，可以更好的提高电池组的容量利用率[7]。图5给出了以SOC为依据的均衡判断流程图。

图4 均衡控制流程图

图5 均衡判断流程图

对于图5需要说明一点。由于本方案中，组间均衡采用的是多变压器法，在系统进入组间均衡阶段，会判断当前电池组是处于充电状态还是放电状态。若是处于充电状态，只会判断哪些子组的能量达到了均衡上限值，然后将这些子组中多余的能量转移到整个电池组中，间接给能量低的子组补充能量，而并不是直接对能量低的子组进行均衡。同理若是在放电阶段，只会判断哪些子组的能量达到了均衡下限值，然后将能量从整个电池组转移到这些子组中。

2.3 均衡占空比

驱动PWM信号占空比的选择直接关系着均衡的效率[8]。对于组内buck-boost变换器法均衡，要求其工作在DCM模式下，PWM占空比要小于50%[9]，通常取45%～48%。对于组间多变压器法均衡，以放电均衡为例。

0～Ton期间：

设变压器初级绕组N1上的电压值为U1，初级绕组工作时相当于一个电感，设其值为L1，初级电感上电流的增长速度为：

在t=Ton=DT时刻，初级电流达到最大值Ipmax：

式中：D为占空比，T为周期。

由式(1)和式(2)得：

在此期间，变压器铁心的磁通Φ的增加量为：

Ton～T期间：

设次级绕组N2上的电压为U2，次级绕组工作时也相当于一个电感，设其值为L2，次级电感上的电流从最大值Ismax开始线性下降，下降速度为：

在此期间，变压器铁心的磁通Φ的减小量为：

在稳态工作时，要求变压器铁心的磁通量增加量DΦ(+)等于减少量DΦ(-)[10]，结合式(4)和式(6)有：

即可求得占空比：

同理，可求得充电均衡时的占空比：

式中：U1与U2分别为充电均衡时变压器初、次级绕组上的电压值。

3 系统仿真

为了验证均衡方案的可行性，在Matlab环境下，应用Simulink工具包中SimPowerSystem模块自带的电池模型搭建仿真电路。在恒流充、放电的过程中对不同SOC值的六节电池进行仿真实验。其中，每两节电池成一子组。图6给出了仿真电路图。

图6 仿真电路图

充电仿真和放电仿真都分为两个阶段，即组内均衡与组间均衡。在本次仿真过程中，组内均衡选取的开关驱动PWM信号的频率为5 kHz，占空比45%，；组间均衡选取的开关驱动PWM信号的频率为10 kHz，占空比48%。

3.1 充电过程均衡仿真

如图6所示，单体电池额定容量为6 Ah，6节单体电池SOC分别设置为85%、83%、80%、79%、78%、77%，可控电流源电流设置为1 C(6 A)。均衡过程各单体电池SOC变化情况如图7所示。

图7 充电过程均衡效果图

整个充电均衡过程用了160 s，分成二个阶段：0～49.2 s，电池子组1内部的均衡。在此阶段，B1的SOC上升较慢，而B2的SOC上升较快，B1、B2的SOC差距逐渐缩小。49.2～160 s，电池子组1与整个电池组之间的均衡。在此阶段，B3、B4、B5、B6的SOC的上升速度有了一个较为明显的提升，而B1、B2的SOC却略有下降，说明B1、B2所组成的电池子组1在均衡过程放出的能量要大于直流充入的能量。均衡终止时刻各单体电池SOC基本达到一致，很好地抑制了B1、B2可能出现的过充电现象。

3.2 放电过程均衡仿真

放电过程均衡仿真与充电过程均衡仿真类似，6节单体电池SOC分别设置为26%、30%、33%、34%、35%、36%，可控电流源电流设置为－1 C(－6 A)。均衡过程各单体SOC变化情况如图8所示。

整个放电均衡过程用了200 s，分成二个阶段：0～80.1 s，电池子组1内部的均衡。在此阶段，B1的SOC下降较慢，而B2的SOC下降较快，B1、B2的SOC差距逐渐缩小；80.1～200 s，电池子组1与整个电池组之间的均衡。在此阶段，B3、B4、B5、B6的SOC的下降速度明显加快，而B1、B2的SOC却略有上升，说明B1、B2所组成的电池子组1在均衡过程吸收的能量要大于直流放出的能量。均衡终止时刻各单体电池SOC基本达到一致，很好地抑制了B1、B2可能出现的过放电现象。

图8 放电过程均衡效果图

4 结论

本文结合buck-boost变换器法与多变压器法，提出了一种新型的分组式双向均衡方案，该方案继承了buck-boost变换器法与多变压器法两者高效均衡的优点，同时弥补了两者的缺点。文中给出了均衡方案的控制策略和在Matlab环境下的仿真实验结果，结果表明，新型均衡方案均衡效果明显，可以很好地改善电池组的一致性问题。但本文的控制策略是以电池SOC为参量，实际应用中如何精确地估算SOC值，尚在研究当中。

[1]李索宇.动力电池组均衡技术研究[D].北京：北京交通大学，2011.

[2]牛萌，姜久春，郭宏榆.混合动力车用电池均衡方案研究[J].微处理机，2010(5)：125-128.

[3]李顶根，李竞成，李建林.电动汽车锂离子电池能量管理系统研究[J].仪器仪表学报，2007，28(8)：1522-1527.

[4]KWON Il，BAEK，KIM T H，et al.Modularized battery cell voltage equalization circuit using extended multi-w inding transformer[J]. IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，2012(10)：349-353.

[5]SANG H P，KI B P，HYOUNG S K，et al.Single-magnetic cell-to-cell charge equalization converter w ith reduced number of transformer w indings[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27(6)：2900-2911.

[6]武笛.基于双向反激直流变换器的锂离子电池均衡系统仿真研究[D].上海：上海交通大学，2012.

[7]陈晶晶.串联锂离子电池组均衡电路的研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[8]郭军，刘和平，徐伟，等.纯电动汽车动力锂电池均衡充电的研究[J].电源技术，2012(4)：479-483.

[9]郭宏榆，姜久春，温家鹏，等.新型电动汽车绝缘检测方法研究[J].电子测量与仪器学报，2011，25(3)：253-257.

[10]李平，何明华.一种锂电池组均衡电路及其控制策略设计[J].电源技术，2011(10)：1214-1217.

Research on grouping equalization schemeof powerbattery pack

GAN Zheng-fei，HU She-jiao

(SchoolofComputer&Information，HefeiUniversity ofTechnology，HefeiAnhui230009，China)

In order to im prove the electric vehiclem ileage and prolong the service life of the power battery，a new type of grouping bidirectionalequalization scheme based on the methods of buck-boost converter and traditionalmultiple transformerwas proposed to resolve the inconsistency amongmonomer batteries.The scheme can achieve balance in the battery charge and discharge stage.The control strategy using SOC as a parameter was presented.The equilibrium modelwas built under the environment of Matlab-Simulink.The simulation experimentwas carried out. The resultproves the feasibility of the scheme.

power battery pack;grouping equalization;equalization control;Simulink simulation

TM 912

A

1002-087X(2016)07-1434-04

2015-12-04

甘正飞(1988—)，男，安徽省人，硕士生，主要研究方向为智能检测与控制。