基于鋰電池SOC 的儲能電感主動均衡分層控制技術研究

司娟利，常紅梅

（陜西理工大學 機械工程學院，陜西 漢中 723000）

0 引言

目前，鋰電池已廣泛應用于新能源汽車領域。電池荷電狀態（SOC）的不一致對電池組的整體容量、充放電深度、安全性、使用壽命等有直接影響。在工程實踐中，分選法[1]不能完全解決電池不一致性問題，原因是電池在使用過程中反復充、放電，電池參數的差異逐漸累積，導致電池電量不均衡，可用容量下降、電池組整體性能衰退等問題[2]。

為了解決動力電池SOC 在實際應用中的不一致問題，均衡技術應運而生。常見的電池均衡技術有被動均衡和主動均衡兩種方式[3]。電阻式被動均衡已經廣泛應用于工程實踐中，其原理是電池在充電過程中某個單體SOC 高于其他單體時閉合旁路開關，將充電時多余的能量通過并聯電阻進行消耗，當與其它電池SOC 趨于一致時斷開開關，與其它電池SOC 保持一致。被動均衡的主要問題是消耗能量的同時產生溫升，給電池的溫度管理帶來挑戰[4]。主動均衡不同于被動均衡，其最大特點是通過電感、電容以及變壓器等儲能電器元件傳遞能量達到電池均衡的目的。主動均衡彌補了被動均衡的不足，是工程實踐中趨于主流的均衡方法，如Buck-Boost 轉換模型，Cuk 轉換模型，還有分散式直流DC-DC 變換器模型等都可實現能量雙向轉換，且損耗低，效率高[5-6]。陳正剛等[7]研究了分布式電感均衡，此均衡電路結構簡單且優于電容均衡電路。李小龍等[8]提出將Buck-Boost 變換器結合開關矩陣，通過對電感分時復用實現電池組的均衡，并實驗驗證了電池單體間的能量雙向傳輸。傳統的Buck-Boost 均衡電路只在相鄰兩個電池間進行能量傳遞，當串聯電池數量較多，首末電池能量傳遞路徑較長，均衡效率較低。

因此，為了解決首末電池能量傳遞路徑長及均衡效率低的問題，需將傳統的Buck-Boost 均衡電路進行改進縮短能量傳遞路徑。針對首末電池均衡效率問題對傳統Buck-Boost 均衡電路進行改進，將改進后的Buck-Boost 電路作為模組的底層，底層電池串聯采用“均值-差值”控制策略，頂層模組并聯采用開關陣列加外接電源控制策略，在MATLAB/Simulink 環境下搭建仿真模型，通過仿真實驗來研究電池單體之間和電池模組之間的充放電均衡效率。

1 底層單體電池間均衡

1.1 電路結構圖

圖1 是以4 節電池為例的傳統分布式Buck-Boost 均衡拓撲結構，當串聯電池數量增加時通過首尾級聯方式擴展，此結構的特點是兩個電池共用一個電感，首末電池之間的能量傳遞需經過借助其他電池或元器件，不能實現首末電池直接能量傳遞，降低了電池組整個系統的充、放電均衡效率。圖2 仍以4 節電池為例，在圖1 元器件數量不變的條件下改進Buck-Boost 均衡拓撲結構，此結構通過LR3實現首末電池之間的能量直接傳遞，縮短了首末電池能量傳遞路徑，此結構也易通過首尾級聯方式擴展。當電池單體以2n=（n= 1，2，3…）數量擴展時，原模組首尾各串聯相同數量的單體。每增加兩個單體電池需增加1個電感和2個MOS 管。電感的連接方式是一端與MOS 管相連，另一端與電池中心節點相連，兩個MOS管的連接方式是一端與首末電池相連，一端與電感相連，以此“環形”結構擴展來滿足實際工程應用需求。圖1、圖2 中M1、M2、M3、M4分別表示電池均衡控制MOS 管，B1、B2、B3、B4表示電池單體，LR1、LR2、LR3表示主動均衡的并聯元器件電感和電阻。

圖1 傳統Buck-Boost 均衡拓撲結構

圖2 改進型Buck-Boost 均衡拓撲結構

1.2 改進型Buck-Boost 均衡原理

此結構均衡的總體原理是通過控制MOS 管的導通對電感充電和電感放電，將電能轉化為磁能，再將磁能轉換為電能實現能量的轉換和傳遞，達到均衡的目的。均衡過程一般分為3個階段：

（1）電池給電感充電：導通MOS 管使得電感L、MOS 管和某一個單體電池構成一個回路給電感充電，此時電能轉化為磁能儲存在電感中[9]。

（2）電感放電給電池：導通另一個MOS 管使得電感L、另一個單體電池構成回路將電感中的能量釋放出去，將磁能轉換為電能給另一個單體充電。

（3）電感消磁：當充放電一個周期結束時，電感中有少量能量不能及時釋放。為了確保電流穩定，通過L 和R 構成諧振回路，將剩余的能量消耗。

假設B1> B2> B3> B4，以電池B1、B2為例，當均衡開始時，首先導通MOS 管M1，由B1、M1、LR1構成回路給電感充電，將電能轉換為磁能，關斷MOS 管M1，導通MOS 管M2，由LR1、B2、M2構成另一回路，將磁能再轉換為電能完成電池B2的充電。電池B3、B4以及M3、M4、LR2組成的結構電池均衡原理與此相似不再贅述。不同的是電池B4通過電感LR2放電、電池B3通過電感LR2充電。當電路B1+ B2> B3+ B4時，導通MOS 管M5，此時B1、M5、LR3、B2構成一個回路，給電感LR3充電，將電能轉換為磁能，關斷MOS 管M5，導通MOS 管M6，此時LR3、B3、B4、M6構成另一個回路，將磁能再轉換為電能完成電池、充電。在每一周期充放電完成后，少量的能量通過L 和R 構成諧振回路，將剩余的能量消耗。

在均衡過程中，如果電感過充使得電感磁飽和，導致電感電流過大；如果電感充放電時間過短，導致能量轉移過少影響電池的均衡效率。為了確保均衡過程中每一個工作周期不發生磁飽和現象需要對MOS管的開關周期、PWM 信號占空比及電感峰值電流參數進行計算。 以電池B1、B2為例，給MOS 管M1一個脈沖信號導通M1時，充電電流IL1流過電感RL1，此時電流成指數性上升，此時電池B1開始給電感RL1充電儲能，則電流為：

式中，D為占空比，T為開關周期，L為電感值，VB1為電池B1電壓，t為開關導通時間。

充電電流在DT 時達到峰值Imax，而在此時，MOS管M1關斷，M2導通，電感中的能量通過M2開始放電，電流開始下降，最大電流及放電電流為：

則均衡電路中電感在一個充放電周期內的充電和放電的平均值為：

式中，IavC為充電時的電流平均值，Iavd為放電時的電流平均值，Td為電感電流從峰值降至0 時所用的時間。

為確保均衡電路中電感能夠復位，需滿足Td+DT臆T，當Td+DT越T時，電感電流處于臨界連續狀態，當Td越DT>T時，電感電流處于連續狀態。

1.3 控制策略

選取電池SOC作為均衡控制變量，以電池SOC一致性作為均衡目標。均衡電路工作模式采用斷續（DCM）模式。用著來表征電池的不一致性，著越大則說明電池內部一致性越差，將其作為電池均衡開始的判斷條件，當著逸滓時均衡開始（滓表示設定的觸發閾值），單體電池開始進行兩兩比較，能量高的單體電池能量通過MOS 管的控制流向能量低的單體電池，當兩個單體電池小于閾值著<滓時即時停止均衡。控制策略通過主要三個參數來判斷：相鄰單體電池之間的SOC差值吟SOC，單體電池SOC值的平均值，以及電池SOC值的均方差著。若電池單體為n，則三參數的表達式為[10]：

改進型結構的非相鄰電池之間差值吟SOC表達式為：

1.4 參數設置

根據1.2 電感均衡原理和1.3 電感均衡策略在MATLAB/Simulink 中搭建2 種均衡仿真模型。以4 節電池為例，電池參數B1、B2、B3、B4充電時的初始SOC值分別設為50%、40%、20%、30%，放電時分別設為90%、80%、70%、75%；電池電壓取3.6 V，電池容量取10 Ah；電感L均取1H，電阻值取10 k贅；MOS 管導通電阻R 取0.05 贅，二極管壓降取0.8 V；MOS 管觸發信號選擇Simulink 模塊自帶的Pulse 脈沖信號模塊，信號幅值為1，周期為10 s，占空比為40%；觸發條件；充放電電流采用5 A 恒流。

1.5 結果與分析

2 種Buck-Boost 充放電均衡模型仿真結果，如圖3 所示，橫坐標是均衡仿真時間，縱坐標是電池SOC。其中，（a）為傳統Buck-Boost 充電均衡仿真結果；（b）為改進型Buck-Boost 充電均衡仿真結果；（c）為傳統Buck-Boost 放電均衡仿真結果；（d）為改進型Buck-Boost 放電均衡仿真結果。

圖3 充放電仿真結果

由圖3（a）（b）可知，在元器件相同的條件下，相同的電池SOC初始值、相同的充電電流、相同的均衡控制策略，改進型Buck-Boost 均衡在800 s 時4 節電池SOC已保持一致，傳統Buck-Boost 均衡結構4 節電池SOC超過了2400 s 時才到達一致狀態。因此，改進型結構均衡效率明顯高于傳統結構，是傳統結構均衡效率的3 倍。

由圖3（c）（d）可知，在同等條件下，改進型Buck-Boost 放電均衡效率是傳統Buck-Boost 均衡結構放電均衡效率的2 倍以上。因此，改進型Buck-Boost 均衡結構在充放電均衡過程中均衡效率優于傳統結構且同步性好。

2 頂層模組均衡

2.1 電路結構圖

圖4 是外接電源式4 組模組并聯結構圖，4 組模組通過MOS 管陣列進行均衡控制。每個模組底層是改進型Buck-Boost 均衡結構（圖2）。

圖4 改進型Buck-Boost 模組均衡拓撲結構

2.2 均衡原理和控制策略

頂層模組均衡原理是選擇汽車輔助供電系統24 V 電源提供外電源，增加DC-DC 模塊Boost 升壓型斬波電路[11]，通過MOS 管的選擇導通或關斷實現對電池模組的均衡。充電時給電池模組SOC值高的小電流充電，給電池模組SOC值低的大電流充電；放電時給電池模組SOC值高的大電流放電，給電池模組SOC值低的小電流放電。控制策略采用MOS 管陣列式，均衡電路工作模式采用斷續（DCM）模式，通過PWM 對MOS 管陣列開閉進行充放電控制。假設模組（MOD）MOD1>MOD2>MOD3>MOD4。在 充 電 時，MOD4 的MOS 管M（7，1）、M（8，1）同時導通，PWM 為1，此時以最大電流給MOD4 充電，充電時間為DT。當MOD4 的MOS 管M（7，1）、M（8，1）同時關閉，PWM 為0 時，此時均衡電路所有MOS 管都關閉。所有電池組都以均值電流充電，充電時間為T（1-D）。當MOD4與MOD3 的SOC 一致時，導通M（5，1）、M（6，1）與M（7，1）、M（8，1）在PWM 控制下交替開閉進行充電。同理，當MOD4、MOD3、MOD2 相同時導通相應的MOS管在PWM 控制下最終所有模組SOC 達到一致。放電反之，導通M（，2），不再贅述。

2.3 仿真模型及參數

圖5 是依據圖4 電路結構在MATLAB/Simulink環境下搭建的外接電源式4 組模組并聯均衡仿真模型。控制策略是通過PWM 控制MOS 管陣列實現充放電均衡，控制策略采用MATLAB function 來實現。4組模組的底層都是改進型Buck-Boost 均衡仿真模型，底層的控制策略采用上文1.3 控制策略不變。為了簡化流程用恒流源代替汽車輔助電源24 VDC-DC模塊Boost 升壓型斬波電路。

圖5 改進型Buck-Boost 模組均衡仿真模型

單體SOC初始值設置，模組1：B1、B2、B3、B4充放電SOC初始值分別設為85%、83%、79%、81%；模組2：B5、B6、B7、B8充放電SOC 初始值分別設為80%、78%、74%、76%；模組3：B9、B10、B11、B12充放電SOC初始值分別設為75%、73%、69%、71%；模組4：B13、B14、B15、B16充放電SOC初始值分別設為70%、68%、64%、66%。MOS 管觸發信號選擇Simulink 模塊自帶的Pulse 脈沖信號模塊，設置信號幅值為1，周期為10 s，占空比為30%，充放電恒流源均為15 A。

2.4 結果與分析

圖6（a）（b）（c）（d）是2 種Buck-Boost 結構組成的4 模組16個單體仿真結果，頂層模組、控制策略、外接恒流源都相同。（a）（c）底層是傳統Buck-Boost結構4 組模組16個單體充放電均衡結果。（b）（d）底層是改進型Buck-Boost 結構4 組模組16個單體充放電均衡結果。

圖6 模組充放電仿真結果

由圖6（a）（b）可知，模組在充電均衡時，改進型Buck-Boost 均衡結構模組中的單體電池在不到200s時每個模組內部電池已均衡完畢，電池模組3 與電池模組4 的SOC也在400 s 時達到一致。傳統結構底層單體之間以及電池模組3 與電池模組4 的均衡效率明顯低于改進型結構。由圖6（c）（d）可知，模組在放電均衡時，改進型Buck-Boost 均衡結構模組中的單體電池與充電時有相同均衡效率，電池模組1 與電池模組2 的SOC也在400 s 時達到一致。

3 結語

改進型Buck-Boost 均衡結構解決了串聯電路中首末電池能量傳遞路徑長及均衡效率低的問題，達到“高快放、低快充”的均衡目的，提升了均衡效率；同步性好，易以偶數級數量擴展，為純電動車電池在線主動均衡提供了新的均衡結構，有助于提高純電動汽車動力電池在線主動均衡的效率。