電池組改進型電感均衡電路研究

楊堅 張巧杰 趙旭

北京信息科技大學 自動化學院，北京 100192

一、引言

目前，由于單體電池難以滿足某些設施電壓和容量的要求，串聯電池組的應用越來越廣泛。

由于單體電池的制作工藝特殊性，所生產的單體電池的內阻、電壓及其工作溫度都會有所差異，導致單體電池初始容量也會有所差異，進而使電池串聯使用時不均衡現象擴大[1]。

由于串聯電池組間電池內阻和極化電壓的作用，電池在充電模式下，容量較小的單體電池過充，容量較大的單體電池充電不足；在放電模式下，容量較小的單體電池先完成放電，容量較大的單體電池則剩余過多容量。隨著充放電次數的增加，會使容量小的電池容量急劇衰減甚至無法使用，最終將導致整個電池組失效，進而影響用電設備的正常運行。

為了提高串聯電池組的性能，充電、放電或使用時，要保證電池組間容量的均衡。由于容量大小與電壓高低成正比關系，均衡電池組間容量及電池組間電壓，設計均衡電路拓撲，對串聯電池組進行均衡控制，動態調節電池組電壓的不一致性，可以達到優化性能和延長整體使用壽命的目的[2]。

為了提高傳統均衡電路的效率，改善其電路結構復雜、只能實現能量由高到低的單向逐級流動的缺點，對經典Buck-Boost電路進行改進，并以其作為均衡電路基本單元，通過控制開關管占空比，使串聯電池組中電壓高的電池單元自發向電壓低的電池單元轉移電能。通過電路分析、仿真實驗驗證，所改進的電感型均衡電路，減少了開關器件的使用，降低了電路的電能損耗，提高了均衡電路的效率，克服了電能只能由上至下的均衡方式。

二、傳統電感型均衡電路

四電池串聯傳統均衡電路如圖1所示，該電感均衡就是以電感為儲能元件，使能量以電流的形式在單體電池與單體電池之間或單體電池與電池組之間轉移，進而使各個單體電池之間的能量達到平衡[3]。該均衡電路的每個均衡模塊為典型的升降壓斬波電路。該電路上下橋臂均采用電力場效應晶體管MOSFET，每相鄰的兩個單體電池有一個均衡模塊，均衡模塊可以使能量在相鄰兩電池間雙向流動，每個均衡模塊工作時只需對一個開關器件進行開關控制，因此均衡電路的控制簡單，均衡電流可控，但均衡時能量只能在相鄰電池間傳遞，單體電池CELL4無法向CELL1充電。

三、均衡電路拓撲

1、電路結構

針對上述傳統電感均衡電路，提出了一種基于電感平衡的拓撲結構，這種拓撲結構可以從任一電壓較高的電池單元向電壓較低的電池單元轉移電能，不局限于相鄰單體電池的能量轉移，運用大電池組充電放電，以及在電池組工作過程中，可以進行實時補償電池負載電流造成的不平衡，實現電池組間快速均衡，并且減少功率損耗，提高電池組的使用效率以及壽命[4]。

以4個蓄電池串聯為例，均衡電路拓撲上下橋臂由電力場效應晶體管 MOSFET組成。每個均衡代表一個改進的Buck-Boost轉換器工作在雙向連續電流模式。它的輸入和輸出電壓由一個或多個串聯的電池單元組成，此結果改善了傳統均衡電路只能實現電能由高到低在相鄰單體間轉移的問題，提高了均衡系統的效率，具體電路拓撲如圖2所示。

該均衡電路在電池充放電時，均衡能量在電池組內部的各個單體電池之間轉移，它來自電池組，最終也回歸電池組。圖4為一個包含4個單體電池的電池組均衡模塊，均衡模塊中不包含獨立的電源，它由一個橋式開關矩陣和一個電感L組成。

2、改進Buck-Boost電路

經典Buck-Boost電路如圖3（a）所示。改進后的Buck-Boost電路如圖3（b）所示，將二極管D1由一個MOSFET開關管Q2取代，以確保電能的雙向流動和電感電流可以工作在連續狀態。將電阻R1由電池單元CELLj取代，輸入電壓源代表一組蓄電池組，負載表示單個電池或多個串聯的電池單元。

將改進后的Buck-Boost電路作為均衡電路的基本均衡單元，對于每一個均衡單元，輸入電壓源可以由串聯電池組的一部分表示，輸出電壓可以由串聯電池組的另一部分部分表示，可以實現高電壓電池組整體轉移電能到低電壓電池組，提高電池組的均衡效率。

3、工作原理

本文以4個蓄電池串聯為例，均衡電路結構如圖4所示。該電路結構在不使用變壓器的情況下，通過控制開關管的通斷，使串聯電池組中高電壓的任意電池單元向低電壓的任意電池單元流動，不局限于相鄰電池單體之間自高向低的電壓均衡。這種電路結構可以運用在串聯電池組充電或放電等運行過程中，利用電池組間電壓的差異，實時均衡串聯電池組中單體電池之間的電壓不平衡[5]。

均衡電路拓撲有兩種均衡策略。均衡策略一如圖4（a）所示，電池充放電或靜置時，均衡能量通過均衡器直接由電池組中的高電壓單體電池向低電壓單體電池轉移。均衡策略二如圖4（b）所示，在電池充電時抑制電池組中的高電壓單體電池能量的上升，通過均衡器使其向同組中的其他所有單體電池放電，從而能量由電池組中的高電壓單體電池向同組中的其他所有電池轉移；在電池放電時對電池組中電壓最低的單體電池進行能量補充，能量由同組中的其他所有單體電池向此低電壓的單體電池轉移。下面針對這兩種均衡策略對均衡電路的工作原理進行具體分析。

（1）均衡策略一

假設單體電池CELL1電壓高于CELL2、CELL3、CELL4電壓，需要將CELL1中的電能向CELL2、CELL3、CELL4轉移，i1為輸入端電池CELL1的均衡放電電流，i2為輸出端電池CELL2、CELL3、CELL4的均衡充電電流，控制開關管Q6和Q10導通，控制Q2PWM通斷，其電能轉移回路如圖4（a）所示，電能由電池CELL1向電池CELL2、CELL3、CELL4轉移，進行電壓均衡。若由CELL2、CELL3、CELL4組成的電池組向CELL1轉移電能，電流方向相反。

在電池充電時，高電壓單體電池通過均衡器向同組中的其他所有電池放電；而在電池放電時，電池組中的低電壓單體電池通過均衡器被同組中的其他所有電池充電。均衡能量轉移電路為改進的Boost-Buck 升降壓斬波電路，且工作在電感能量完全轉換模式。如圖4（a）包含4個串聯單體電池的電池組，假定CELL1為電池組中電壓最高的單體電池，其放電開關為Q2和Q6，其余串聯電池中為電壓最低的電池單元，其充電開關為Q2和Q10。

（2）均衡策略二

若CELL1高于平均電壓水平，CELL3低于平均電壓水平，CELL2、CELL4在平均電壓附近，則可有最高單體電池給最低單體充電，如圖4（b）所示，在整個均衡過程中，只用到Q2、Q6、Q9開關管，電路損耗較小，電路結構簡易，易于控制。

在電池充放電過程中，均衡能量通過均衡器直接由電池組中的高能量單體電池向低能量單體電池轉移。假定CELL1為電池組中電壓最高的單體電池，而CELL3為電池組中電壓最低的單體電池，則CELL1的放電開關為Q2、Q6，CELL3的充電開關為Q2和Q9，均衡時要實現能量由電池CELL1向電池CELL3轉移。

四、電路分析

由圖3（b），在t=0時，開關管Q1導通，Q2截止。電源電壓Vi全部加到電感L上，電感電流iL線性增長：當t=Ton時，iL達到最大值iLmax。在Q1導通期間，iL的增長量為：

其中，Ton—開關管導通時間；

D—占空比；

Ts—周期。

在t=Ton時，Q1關斷，Q2打開，iL通過Q2續流，電感L的儲能向負載轉移。此時加在L上的電壓為-Vo，iL線性減小：

當t=Ts時，iL達到最小值iLmin。在Q1截止期間，iL的減小量為：

穩態工作時，Q1導通期間，電感電流的增長量等于在截止期間的減小量。那么可得：

若不計損耗，則有：

開關管Q1截止時，加在其上的電壓為：

開關管導通時，加在Q2上的電壓為：

電感電流的平均值為：

流過開關管Q1的平均電流是輸入電流，有效值為：

流過Q2的平均電流是輸出電流，有效值為：

如果兩個單元存在電壓不平衡，平衡電流從電壓高的單元流向電壓低的單元。當單元間電位差較大時，在均衡過程開始時，平均平衡電流的絕對值越大。隨著電池單元電壓均衡，當單元間電位差減小時，均衡電流也減小。

在電池電壓之間的高度不匹配的情況下，平衡電流會達到非常高的值的情況下。因此，進行電流或熱限制是必要的，以避免設備損壞[6]。

五、仿真結果

以4個蓄電池串聯為例，對上述均衡系統進行了模擬，其仿真參數設計如表1所示。

表1仿真參數設置

表2 仿真結果對比

將4個12V電池模型串聯，搭建經典電感型均衡電路和改進型電感均衡電路，對比電壓均衡效果。為了縮短仿真時間，將電池容量縮小為2.4Ah。基于經典電感型均衡電路只能在相鄰單體之間自高向低進行均衡，所以4個串聯單體電池電壓依次由高到低進行設置，CELL1初始電壓為12.09V，CELL2初始電壓為12.02V，CELL3初始電壓為11.98V，CELL4初始電壓為11.92V。

對比可知改進前后單位時間內轉移電能進行比對，改進后均衡電路均衡效率高于改進前均衡電路。

為了驗證其均衡電路的拓展性，用8個電池進行串聯，有7個均衡單元，每個晶體管的占空比用前文公式進行定義。圖5表示電池充電過程中的電池電壓均衡過程，在均衡系統中的電池的電壓已被定義在不同的水平。由于它是一個自然的平衡系統，電壓和電流不被控制，并出現一個短暫的穩定化之前的均衡過程，收斂到相對穩定的電壓水平。

為了減少模擬時間，電池容量該模型已在額定0.1mAh，開關頻率為100kHz，電池組的總電壓V=24V。

六、結論

本文提出的串聯電池組以電感和開關管作為基礎器件的均衡系統，以自然現象中能量由高到底轉移的思想，結合改進型Buck-Boost電路所設計的主動均衡型均衡系統，可以適用與多級電池串聯[7]，不同類型電池的串聯，在充電、放電以及使用過程中都可實現均衡。相對于典型電感均衡電路，本文所提出電路開關器件少，可實現低功耗高效率，電路簡單可行。在文章最后進行了仿真實驗，得到良好的效果。但是所涉及系統中，尚未加入控制算法，會使均衡效果受到影響，在日后的研究中，需要加入控制算法，以提高均衡電路的使用效率。