附帶均衡電源的DC?DC均衡電路

周尚麗 紀鋒 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目并保證高轉換效率問題，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點的開關陣列、DC?DC變換器以及可以多重利用的均衡電源組成。根據電池組SOC（State of Charge）的平均值與各單體電池SOC之差是否達到閾值為依據，使用Matlab/Simulink軟件進行仿真。仿真結果表明，該結構可以在使用N+1+4個開關（N為串聯電池組數目）和一個雙向DC?DC變換器的前提下對串聯電池組中任意單體電池進行均衡，并且電池在放電均衡時轉換效率約為81.6%，電池在充電均衡時轉換效率約為84.8%，均達到目前較高水平。證實該電路能較好地滿足上述要求。

關鍵詞： 主動均衡電路; 均衡電源; DC?DC變換器; 開關陣列; 電池SOC; Matlab/Simulink

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

0? 引? 言

鋰離子電池因其優異的性能備受電動汽車青睞[1]。由于在生產以及使用過程中有所差異[2]，需要對電池組進行均衡[3]。被動均衡結構簡單，而且經濟、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[5]。利用電容或電感儲能元件進行均衡，其結構比較簡單，轉換效率較高，且易于實現模塊化[6];但均衡速度較慢，所需元器件較多，而且很難實現跨電池均衡[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力，并且存在體積大、價格高、轉換效率低等問題[8]。文獻[9]采用單對包結構，均衡較為靈活但轉換效率較低。文獻[10]通過比較各種均衡方式，發現單對單均衡在很多方面都表現不錯。文獻[11]使用反激變換器進行均衡，靈活度較高但所需開關較多。文獻[12]提出的均衡電路，能較好地減少開關元器件的使用數目，但卻不夠靈活。文獻[13]通過部分電池放電的方法進行均衡，而文獻[14]則為電池分配不同的權值進行均衡。這些方法轉換效率很高，而且較為靈活，但是成本較高。

結合目前主動均衡方法的優點，本文提出一種附帶均衡電源的均衡方法。運用可以多重利用的均衡電源，配合開關陣列以及雙向DC?DC變換器的優點，針對相應的控制策略進行仿真，證實該方法能夠在實現靈活均衡的前提下使用較少元器件，達到較高轉換效率的目的。

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電池時，雙向DC?DC變換器中開關給定的PWM控制信號占空比趨于非常大或非常小兩個極端，故一般需要根據實際情況，采用兩節及以上電池串聯成為均衡電池組。

開關陣列被分為兩組，第一組有N+1個開關，其中N為儲能電池組單體電池數目。與儲能電池相連時，除首末開關外，其余的開關均與電池的負極和下一節電池的正極相連。第二組有4個開關，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節電池串聯的情況下，相較于傳統的為每節電池配兩個開關的方法，本方法可以通過4個控制極性的開關來減少傳統方法中N-1個開關的使用數目。當串聯電池數目較多時，該方法的優異性會更加明顯。

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

假設儲能電池組中單體電池B1的SOC過高，此時需要將其電荷轉移到均衡電池組中。使控制B1電池正負極的開關K1和K2，以及控制雙向DC?DC變換器接入極性的開關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移到均衡電池組中，如圖2所示。

當儲能電池組中B2電池SOC較低時，使控制B2電池正負極的開關K2和K3，以及控制極性的開關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移到B1電池中，如圖3所示。

注意到對電池B1和B2進行均衡時，都用到開關K2，開關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高的單體電池進行放電均衡，或者對SOC低的單體電池進行充電均衡。

轉換效率方面，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為開關陣列中開關損耗;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個開關的損耗，Pe大部分為均衡時電池內阻的損耗。相較于目前大部分均衡電路，基本可以實現損耗最小化，而且由于本文所使用的元器件數目較少，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變換器數目少，還可以使用軟開關技術進一步降低損耗。

由式（2）和式（3）易知，本文提出的均衡電路理論上可以達到目前轉換效率的較高水平，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，各儲能電池組串聯構成均衡電源，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擔，以達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行時，該均衡電源還可以充分發揮其備用電源的作用，代替損壞的儲能電池組，提高電動汽車運行的可靠性。由于均衡電源單體電池數目較少，不均衡度較大，可以采用文獻[14]的方法進行均衡。

3? 仿真結果分析

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

文獻[15]采用鎳鈷鋁三元鋰離子電池進行實驗，發現單體電池循環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次數為500次，串聯電池組數目為135節，其中母線電壓為500 V。此時電池組一次循環期間所需電荷約為0.31 A·h，約為單體電池容量的11.1%。考慮到鋰離子電池參數服從正態分布，并且均衡電池組更多情況下是充當媒介的作用，將高SOC的單體電池電荷轉移到低SOC電池中去，故儲能電池組一次循環期間所需均衡電池組的電荷要遠遠小于計算值?？紤]成本以及控制方面，本仿真中均衡電池組用兩節串聯電池代替。

本仿真4節單體儲能電池的初始SOC分別設定為72%，70%，68%，70%，均衡電池組中單體電池SOC均設定為70%。當單體儲能電池的SOC與平均SOC之差達到1.5%時，啟動均衡。在實際情況中為防止出現容量差異導致重復均衡的情況發生，比如低容量的單體電池在其高SOC時進行放電均衡，但一段時間后其SOC可能會低于平均值，此時又要進行充電均衡，這樣會導致能量的浪費。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節電池處于均衡狀態。

圖5從上到下分別是儲能電池組中第1、第2、第3和第4節單體電池的SOC變化曲線。由于電池組處于帶負載狀態，第2和第4節電池的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節電池的SOC首先在下降，處于放電均衡狀態。由于設定均衡互鎖，即使第三節電池需要均衡，也只能等到第1節電池均衡結束后才能啟動。經過約64 s，下降約1.3%的電荷，約為36.4 mA·h。從約64 s后，第3節電池的SOC開始上升，處于充電均衡狀態。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已經達到設定的均衡條件，均衡完畢。當然，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化效率。

對于均衡電池組SOC變化情況，任取兩節電池中的一節觀測其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節單體電池在此刻處于放電狀態。當第1節電池均衡到設定的閾值時，停止均衡。均衡電池組獲得的電荷約29.7 mA·h，隨后第3節電池啟動充電均衡，均衡電池組單體電池SOC開始下降。當第3節電池SOC達到均衡設定的閾值時，均衡完畢。

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

下面計算轉換效率。假設有兩節單體電池B1和B2，若將B1電池的部分電荷轉移到B2電池中，其中Ql為B1電池損失的電荷量，Qg為B2電池獲得的電荷量。易知在電荷轉移的層面上，轉換效率為：

[η=QgQl×100%] （5）

結合式（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節電池獲得的電量，Ql為第1節電池失去的電量。放電均衡時，Qg為均衡電池組獲得的電量，Ql為第1節電池失去的電量。充電均衡時，Qg為第3節電池獲得的電量，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，均衡轉換效率能達到目前較高水平。

4? 結? 語

本文所提出的附帶均衡電源的主動均衡電路，對于N節電池串聯的儲能電池組，運用均衡電源的多重利用，能夠在使用N+1+4個開關以及一個雙向DC?DC變換器的前提下，實現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行均衡，還可以充分發揮其備用電源的優勢，延長電池組使用壽命，提高電池組運行可靠性。使用Matlab/Simulink軟件進行仿真，證實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電池進行均衡的缺點，這是未來需要研究解決的問題。

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