基于Buck-Boost電路的能量轉移型均衡方案

劉征宇，孫慶，馬亞東，湯偉，王雪松

(1.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009；2.安全關鍵工業測控技術教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

基于Buck-Boost電路的能量轉移型均衡方案

劉征宇1，2，孫慶1，馬亞東1，湯偉1，王雪松1

(1.合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009；2.安全關鍵工業測控技術教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

提出了一種基于Buck-Boost電路的新型均衡電路，實現了鋰離子串聯電池組充放電均衡。根據均衡能量流向，采取兩種不同的均衡策略：電池組放電時，均衡能量由電池組向組內荷電狀態(state of charge,SOC)較低的單體電池轉移；電池組充電時，均衡能量由電池組中SOC較高的單體電池向電池組轉移。以單體電池開路電壓在線估計為基礎，運用開路電壓法估算SOC，選取SOC值在一定閾值范圍之外的單體電池作為均衡對象，對6節串聯的磷酸鐵鋰電池進行了充放電均衡實驗。實驗結果表明，該方案可以有效減小單體電池間的不一致性，提升電池組的整體性，同時提高了電池組充放電容量。

均衡充放電；能量流向；升降壓電路；儲能通道；泄荷通道

0 引 言

鋰離子電池因其高能量密度、高電壓、高循環次數和低自放電率等優點而得到廣泛應用[1-2]；但是其單體電壓低于5 V，不能滿足動力電源對電壓的需求，因此在實際應用中常使用串聯電池組來滿足設備對電壓的要求[3]。由于電池制造工藝上的缺陷以及使用環境的不同，各單體電池之間存在性能上的差異，這些差異會造成串聯電池組使用上的“短板效應”[4]。電池均衡電路是克服“短板效應”提升串聯電池組容量利用率且保證其使用安全的有效途徑[5-6]。能量轉移型均衡通過電容、電感、變壓器等儲能元件實現能量轉移，相比于能量耗散型均衡，這類方案普遍結構復雜、成本高、對系統的可靠性設計有較高的要求；但其能量利用率較高，是目前均衡研究的一個熱點[7]。電感均衡相比于電容均衡可以實現以SOC為均衡判據的電池組均衡；相比于變壓器均衡，其結構簡單、成本低。另外，從均衡電流的可控性分析，采用電感作為儲能元件的均衡方案，其均衡電流的可控性強[8]。

基于Buck-Boost的均衡電路在電感均衡方案中較為常用，從均衡能量流向的角度上分析這種均衡電路可以較好地體現出其特點以及均衡過程。文獻[9]采用的基于Buck-Boost電路的均衡電路實現均衡能量從串聯電池組中端電壓或SOC較高的電池轉移到最低的電池。這種均衡策略可以在很短的時間內實現電池組均衡，尤其適合單體電池數目較多和不一致性較大的場合；但這無疑提高了開關控制的復雜程度，且開關切換過于頻繁，損耗較大。文獻[10]和文獻[11]采用的基于Buck-Boost電路的均衡電路實現了均衡能量各相鄰單體之間進行轉移。這種均衡策略適合于單體電池數目較少以及電池不一致性較低的電池組，且易于模塊化；但對于電池數目較多的串聯電池組，均衡能量可能需要較多次的轉移才可以到達需要均衡的電池，一是均衡能量損失較大，二是均衡能量可能會轉移給不需要均衡的電池影響其使用壽命，三是增加了均衡時間。文獻[8]和文獻[12]的基于Buck-Boost的均衡電路可實現的均衡能量轉移策略是：在電池組充電過程中均衡能量從串聯電池組中端電壓或SOC較高的電池轉移進一個額外的儲能單元，在放電過程中均衡能量從該額外的儲能單元中轉移給端電壓或SOC較低的電池。這種電路的優點是控制策略簡單，對單體電池數目要求不高，而且不會影響其他不參與均衡的電池的充放電電流，但是它需要額外的儲能單元，增加均衡系統的體積和成本。

從均衡性能和電池組的使用安全性能上來看，上述最后一個方案是最為理想的均衡方案。但由于鋰離子電池制造工藝的不斷提升，以及電池組使用前的單體電池的篩選過程，單體電池間的差異正在逐步縮小，均衡能量不會過大；電感均衡電路的均衡電流可控性較高，可以通過少量多次的方式轉移均衡能量。因此在基于Buck-Boost的均衡電路中，均衡能量對其他不參與均衡的電池的充放電電流的影響較低；另外，額外存儲單元的容量有限且同時用于電池組的充放電均衡，存在電池組充電過程中剩余的容量空間不足以接收均衡能量或電池組放電過程中剩余容量低于所需均衡能量的問題。本文在省去額外存儲單元的基礎上提出了一種可實現在電池組充電過程中，均衡能量從串聯電池組中端電壓或SOC較高的電池轉移進電池組，在放電過程中均衡能量從電池組中轉移給端電壓或SOC較低的電池的基于Buck-Boost電路的能量轉移型均衡方案。

1 均衡電路及工作原理

本文提出的基于Buck-Boost電路的新型均衡電路原理圖如圖1所示。

圖1 基于Buck-Boost電路的新型均衡電路Fig.1 New equalization circuit based on Boost-Buck circuit

1.1 充電均衡電路

圖2 充電均衡電路Fig.2 Charge equalization circuit

圖3 充電均衡簡化電路Fig.3 Simplified charge equalization circuit

1.2 放電均衡電路

圖4 放電均衡電路Fig.4 Disharge equalization circuit

圖5 放電均衡簡化電路Fig.5 Simplified discharge equalization circuit

1.3 能耗分析

本文采用典型的Buck-Boost斬波電路進行電池組充放電均衡， 為了使電感的能量完全釋放，充放電均衡中的電感電流應工作于電流斷續模式(DCM)，如圖6所示。

圖6 電感電流波形Fig.6 Inductor current waveform

階段1[0～ton]。儲能通道打開，電感存儲均衡電能，根據LC一階系統階躍響應可以得到電感中電流的變化為

(1)

式中：rds1為儲能通道的等效電阻；VD1為mosfet開關的正向導通壓降。

到了ton時刻，電感中電流達到最大值IP為

(2)

階段2[ton～toff]。儲能通道斷開而泄荷通道導通，均衡電能從電感中轉移出去，這一過程中電感電流變化的表達式為

(3)

式中：rds2為泄荷通道的等效電阻；VD2為mosfet開關和二極管的正向導通壓降。

由于電感的充放電時間很短，屬于ms級別，結合式(1)和式(3)，可知電感中電流大小與時間成線性關系，因而電感電流波形如圖6所示。通過將電流線性化處理計算出一次均衡能量轉移過程中電感存儲的能量為

(4)

轉移過程中，由于儲能通道等效電阻rds1和泄荷通道等效電阻rds2消耗能量，因此可以得到一次均衡過程的效率如式(5)所示；但由于儲能通道和泄荷通道的等效電阻是隨時間不斷變化地，式(5)只是一種簡化的效率公式。

(5)

2 均衡流程

電池的荷電狀態(state of charge，SOC)是電池管理方案的重要參數之一[13]。以SOC作為均衡判據不僅能夠達到提高電池組容量利用率的目的，同時還解決了一致性問題對電池組狀態識別影響的問題[14]。本文根據簡化的PNGV電路模型Kalman濾波器離散時間方程和系統參數辨識在線估計單體電池開路電壓(OCV)[15]，OCV與SOC有相對固定的線性關系，這種線性關系受環境溫度以及鋰離子電池老化因素影響很小，所以根據開路電壓可以估計SOC。SOC-OCV的關系曲線圖如圖7所示，因此SOC估算的精度取決于OCV的估算精度。

圖7 SOC-OCV曲線Fig.7 SOC-OCV diagram

本均衡電路采用SOC作為判據，具體均衡流程為：

Step1，設定充放電閾值SOCcharge和SOCdischarge。

Step2，估算每個電池的剩余容量SOC[i]，并計算所有單體電池SOC的平均值SOCav。

Step3，根據SOC[i]> SOCcharge+SOCav和SOC[i]

Step4，由式(1)和式(3)可知，當ton和toff是ms級別時，電感充電電流波形可以看成一條斜直線，所以通過電感的平均電流為IP/2。結合簡化效率公式(5)可得需要參與均衡的電池E[i]的均衡次數為

(6)

式中CN為單體電池額定容量。依據均衡次數，按照既定的均衡策略進行電池組充放電均衡。

Step5，循環執行Step4，直到所有需要參與均衡的電池的均衡過程執行完畢為止。

3 實驗與結果分析

將該均衡電路和均衡策略集成到實驗室研制的電池保護板上進行恒流5 A充放電實驗。實驗硬件實物圖如圖8所示。

圖8 硬件實物圖Fig.8 Hardware physical picture

選取經過500次充放電循環后的12節磷酸鐵鋰電池鋰離子電池(循環壽命達到2 000次以上)進行充放電實驗，單體電池的額定容量10 Ah、額定電壓3.2 V、充電截止電壓3.6 V、放電截止電壓2.0 V，并將這12節電池分成A和B兩組用于均衡實驗；另外，再選取一節同型號電池用于SOC估算實驗；效率值η取為75%；導通時間ton取為50 μs，關斷時間toff取為100 μs；實驗溫度為25 ℃。

3.1 OCV估算實驗

首先測出用于SOC估算實驗的磷酸鐵鋰電池5 A 充放電電流下的OCV與時間t曲線，然后將Kalman濾波SOC估算算法嵌入到均衡系統中，分別進行5 A充放電電流下的充放電OCV估算實驗，最后將OCV與時間t曲線及充放電的OCV估算數據導入Matlab之中，擬合出來的曲線圖如圖9所示。

可以看出，OCV的估算在充放電的前期過程誤差較大，但很快估算曲線便十分接近于真實曲線；因此均衡所用到的SOC估算值應選取于估算曲線的后期，這些SOC誤差將低于5%，對均衡精度的影響很小。下面的充放電實驗考慮到這一問題，設定充放電均衡的SOC閥值分別為60%和30%。

圖9 OCV估算擬合曲線Fig.9 OCV estimate fitting curve

3.2 充電均衡實驗

將A組的6節電池標準放空。將它們串聯起來進行無均衡充電實驗，當任意一節電池的電壓達到充電截止電壓3.6 V時，停止充電，記錄每節電池的SOC值，如表1。然后分別給各節電池標準放空，再進行有均衡充電實驗，當任意一節電池的SOC值達到充電閥值60%時，啟動充電均衡，并作出每節電池SOC變化曲線如圖10所示。當任意一節電池的電壓達到充電截止電壓3.6 V時，停止充電并記錄每節電池的SOC值，如表1所示。

圖10 充電均衡過程Fig.10 Charge equalization process

表1 充電實驗 Table 1 Charge experiments

3.3 放電均衡實驗

將B組的6節電池獨立充電，使得6節電池的初始容量均為90%。電池串聯后，對其進行無均衡放電實驗，當任意一節電池的電壓達到放電截止電壓2.6 V時，停止放電，并記錄每節電池的SOC，如表2所示。然后使各節電池分別恢復至初始容量90%，將其再次串聯后進行有均衡放電實驗，當任意一節電池的SOC低于放電閥值30%時，啟動放電均衡，并作出各單體電池SOC變化曲線如圖11所示，當任意一節電池的電壓達到放電截止電壓2.6 V時，停止放電，并記錄各單體電池的SOC，如表2所示。

圖11 放電均衡過程Fig.11 Discharge equalization process

3.4 結果分析

從表1中得到的無均衡充電實驗情況下各節電池的SOC數值可以看出，由于單體電池間的不一致性，電池組充完電之后，單體電池的SOC極差值達到12.20%，電池組充入的總容量只有其額定容量的83.23%，其中電池E4只充入了79.03%的電量。而在均衡充電實驗的情況下，單體電池間的SOC極差值只有6.12%，電池組充入的總容量占其額定容量的87.11%，充入電量最低的電池也達到了84.27%。比較無均衡和有均衡充電實驗，可以看出，該方案有效地改善了單體電池間的不一致性，使得均衡后的單體電池SOC極差值降低了約6個百分點；另外通過比較電池組的可充入容量，可以看出均衡后的電池組可充入容量增加了約4%，該方案提高了電池組的可充入容量。圖10反映了電池組充電實驗的均衡過程，由于均衡時，電池E5和E1的能量會被抽取出來反饋給電池組，這兩個電池的SOC增長率慢慢降低，使得各單體電池的SOC逐漸趨于一致。總體上來看，該充電均衡方案較大的改善了單體電池間的不一致性，同時提高了電池組的充入容量。

表2 放電實驗Table 2 Discharge experiments

表2中的無均衡放電實驗數據表明，單體電池間的不一致性導致電池組中單體電池SOC的極差值為9.15%，電池組剩余容量占總容量的15.43%，其中電池E2還有20.06%的電能沒有放出。在均衡放電的條件下，單體電池SOC的極差值只有5.57%,電池組剩余電能為13.58%，相比無均衡的電池組，單體電池SOC的極差值降低了3.58，電池組可放出能量增加了1.85%，另外，剩余容量最多的電池E4只有15.87%的能量未放出。從圖11中可以看出由于均衡能量從電池組不斷轉移給電池E1和E5，所以它們的放電速率明顯低于其他節電池。總體來講，該放電均衡方案增強了電池組的整體性，同時提高了電池組的能量利用率。

4 結 論

本方案在保證鋰電池組的充放電安全的前提下，較好地實現了電池組的充放電均衡，改善了單體電池間的不一致，同時提高了電池組的充放電容量。今后的研究可放在兩個大方面上：一是優化均衡閥值、充放電閾值以及均衡次數，細致研究分析它們對均衡效果的影響，實現參數的優化選擇進一步提升均衡效果；二是通過開關配置，本電路同樣適用于其他均衡策略，靈活運用各種均衡策略，在不同充放電階段采用不同的均衡策略，觀察均衡效果。

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(編輯：劉琳琳)

Energy-transferringequalizationschemebasedonBoost-Buckcircuit

LIU Zheng-yu1,2，SUN Qing1，MA Ya-dong1，TANG Wei1，WANG Xue-song1

(1.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industry Measurement and Control Technology of Ministry of Education,Hefei 230009,China)

A new equalization circuit based on Boost-Buck circuit was proposed,which realizes the charge and discharge equalization of series-connected lithium-ion batteries.Two different balancing strategies were used respectively according to the balanced energy-transferring direction.When battery pack was discharging,the balanced energy was transferred from the battery pack to the batteries with lower stage of charge (SOC); When battery pack was charging,the balanced energy was transferred from the higher SOC batteries to the battery pack.The scheme were based on online estimation of open circuit voltage(OCV)of single cell,which takes advantage of OCV-SOC curve to estimate the stage of charge(SOC)，balanced objects were selected whose SOC are outside a certain range and an experiment was performed for six serially connected LiFeP04 battery cells.Experimental results confirm that the inconsistency between the single cells is validly reduced,the integrity of the battery pack is improved and the charging and discharging of battery pack is increased．

charge and discharge equalization; energy-transferring direction; Boost-Buck circuit; energy storage channel; unloading channel

10.15938/j.emc.2017.09.010

TM 315

:A

:1007-449X(2017)09-0073-07

2016-02-22

國家國際科技合作專項資助項目(2012DFB10060)；合肥工業大學應用科技培養計劃項目

劉征宇(1979—)，男，副教授，研究方向為新能源汽車能量系統建模與控制、工業物聯網；孫 慶(1991—)，男，碩士，研究方向為新能源汽車能量系統建模與控制；馬亞東(1991—)，男，碩士，研究方向為新能源汽車能量系統建模與控制；湯 偉(1990—)，男，碩士，研究方向為新能源汽車能量系統建模與控制；王雪松(1990—)，男，碩士，研究方向為新能源汽車能量系統建模與控制。

孫 慶