改進的可重構均衡電路及控制策略研究

魏業文，解園琳，李 梅，吳希韜

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌 443002；2.智慧能源技術湖北省工程研究中心(三峽大學)，湖北宜昌 443002)

由于在生產過程中無法保證單體電池參數的一致性，并且電池在使用過程中會使得其差異逐漸增大，這會極大地降低電池組性能，提高電池組使用風險[1]。對鋰離子電池組進行均衡可以在一定程度上緩解這些問題。傳統的主動均衡電路都著眼于讓電量在單體電池之間進行傳遞[2-4]。而可重構均衡電路通過動態地選擇儲能電池組中相應單體電池為負載供電，達到均衡的目的[5]。文獻[6]通過實時控制相應每節單體電池的兩個開關，進而對電池組進行均衡。文獻[7]則是根據實際情況，動態地決定電池組中供電電池個數。上述方法均會導致負載電壓出現不同程度的波動。文獻[8]通過控制每一個DC-DC 變換器的電壓變換比例，在實現電池均衡的前提下穩定電池組電壓，但其成本較高。文獻[9]考慮到整體結構，通過電池組的并聯來減少開關的使用數目，但并沒有從根本上解決可重構均衡電路的不足。

而在均衡方法方面，目前常用的均衡方法基本上都是當電池組中某節電池電壓或SOC過高或過低時，均衡器便啟動，對相應電池進行均衡。該方法非常簡單,但是該方法的均衡效果卻并不是很理想，因為這可能會導致電池均衡能量多次來回流動，導致均衡器做無用功。

本文擬在傳統可重構均衡電路的基礎上進行改進，利用均衡電源在電池均衡過程中或部分電池出現故障時維持負載端電壓。此外，本文擬提出一種均衡方法，在電池處于不同狀態下，調整需要均衡的電池，以降低均衡器做無用功的次數。

1 本文提出的均衡電路

本文所提出的均衡電路如圖1 所示。

圖1 均衡電路圖

圖1 中，均衡電源一般為多節電池組成，通過開關以及直流變換器的配合，為負載供電。在放電過程中，開關S3 以及與各單體電池串聯的開關閉合，由儲能電池組中所有單體電池為負載提供能量。當電池組中某單體電池電量較低，或出現故障必須退出運行時，再斷開與其串聯的開關，閉合與其并聯的開關，使該單體電池退出運行。同時讓均衡電源的相應開關閉合，代替退出運行的電池。同理，在充電時，可以通過讓電量較高的單體電池退出充電過程，以實現電池均衡的目的。

為方便起見，對電路工作原理進行分析時，均默認均衡電源為一節與儲能電池組同型號的單體電池。此時，直流變換器為升壓變換器。

1.1 放電時工作原理分析

如圖2 所示，當均衡電路正常工作時，與各儲能單體電池串聯的開關均閉合，儲能電池組中所有單體電池均投入使用，而均衡電源此時并未投入使用。易知負載端電壓U1如式(1)所示。

圖2 正常放電時原理圖

式中：Vi為第i節單體電池的端電壓；n為電池組中單體電池個數。

假設需要對B1 電池進行均衡，本均衡電路工作原理圖如圖3 所示。

圖3 對B1電池旁路

由于需要對B1 電池進行均衡，控制開關S11 斷開而開關S12 閉合，B1 電池即退出運行。控制與均衡電源串聯的開關S1 閉合，均衡電源代替B1 電池投入使用，以維持負載電壓。在這種情況下，負載的端電壓U2如式(2)所示。

式中：Va為均衡電源電壓。由于均衡電源在此處為一節與儲能電池組同型號的電池，故存在：

即滿足：

此時負載端電壓并不會因為B1 電池的退出運行而產生相應的波動。相應地，在這種情況下相較于使用升壓變換器，在轉換效率以及控制方便程度上都有較大的提高。

當需要斷開儲能電池組中多節電池時，控制開關S2 閉合，均衡電源通過升壓變換器彌補退出運行電池所降的總電壓。假設需要對B1 和B2 電池進行均衡，此時本均衡電路的工作原理圖如圖4 所示。

圖4 對B1和B2電池旁路

同理，控制開關S11 和開關S21 斷開，開關S12 和開關S22 閉合，B1 和B2 電池均退出運行。通過控制開關S2 閉合以及讓升壓變換器處于相應的工作狀態，均衡電源即通過升壓變換器為負載供電，此時負載端電壓U3如式(5)所示。

式中：Vb為均衡電源通過升壓變換器后的電壓，此時亦滿足式(6)。

在這種情況下，均衡電源所承擔的電流是其他處于工作狀態的單體電池電流的兩倍。特別的，當更多電池退出運行時，升壓變換器的變比會更大。此時不僅僅會導致轉換效率有所降低，而且還會加大均衡電源所承擔的電流，這會在某種程度上損害均衡電源。

值得注意的是當單體電池因為出現故障需要退出運行時，均衡電源會以不同的形式為負載供電，與在放電時對電池進行均衡相似，這里不再贅述。

1.2 充電時工作原理分析

對電池組進行充電時，其工作原理與電池組放電類似。若B1 電池電量稍高，均衡電源需要充電時，如圖5 所示。

圖5 B1電池斷開時充電均衡原理圖

此時，控制開關S11 處于閉合狀態，開關S12 處于斷開狀態，使外部電源暫時不為其充電。控制與其余電池串聯的開關以及S1 閉合。也就是說，電量低的電池處于充電狀態，而電量較高的電池處于等待充電狀態。以此在充電時對儲能電池組中各單體電池進行均衡。

以恒流充電階段為例，設電源充電電流為Ic，B1 電池的均衡時間t如式(7)所示。

式中：QB1為B1 電池的容量；ηc為其充電效率；ΔSOCB1為其需要均衡的SOC之差。在充電過程中，B1 電池的SOC值會逐漸趨向電池組SOC的平均值，實現充電過程中電池均衡的目標。

2 提出的控制策略

由于電池組內各單體電池性能服從正態分布[10]，若設定當電池組中單體電池SOC與平均SOC之差達到ΔSOCset，則啟動均衡，那么可以將電池組中單體電池根據其SOC劃分為放電過程中需要均衡的區域，不需要均衡的區域以及充電過程中需要均衡的區域，如圖6 所示。

圖6 本文提出的均衡策略的均衡區域劃分

圖6 中，將SOC較低的電池分類到放電過程中需要均衡的區域，是因為可重構均衡電路在放電過程中，可以很方便地通過減少該電池的放電時間，以實現電池均衡的目的，也就是說在放電過程中，可重構均衡電路可以對SOC較低的電池實現均衡。同理，在充電過程中，可重構均衡電路可以很方便地對電量較高的電池進行均衡。

在放電階段，如圖4 所示，放電過程中需要均衡的區域內單體電池會在相應時間斷開，以間接增加相應單體電池SOC，故較低SOC的單體電池會逐漸趨近于電池組SOC的平均值。在多節電池被斷開的時間內，均衡電源會通過升壓變換器提供多倍的負載所需電流，而均衡電源的電流因此滿足式(8)：

式中：Imax為均衡電源所能承受的最大電流。當電池組中存在可以均衡的電池時，可以適當對多節電池進行均衡，以加快均衡速度。

需要說明的是，在放電過程中，電池組的可用容量受限于電量最低的單體電池而不是電量較高的單體電池；充電過程中，電池組的可用容量受限于電量最高的單體電池而不是電量較低的單體電池。故本文所提出的控制策略，在充放電過程中只對電量較高或電量較低的單體電池進行均衡，同樣實現了增加電池組可用容量的目的，即實現電池組均衡的目的。

3 實驗結果分析

為證實所提出的均衡電路以及均衡方法的可行性，搭建實驗平臺進行實驗。所使用的主控芯片為STM32F103，儲能電池組為7 節ICR 單體電池串聯組成，其容量為2 200 mAh，均衡電源為1 節與儲能電池組相同的電池，直流變換器為升壓變換器，負載使用滑動變阻器模擬。由于實驗可以提供精確的初始SOC，并且測試時間一般不會超過半小時，基本上只持續幾分鐘，故使用安時積分法估算電池SOC。使用開發板自帶的顯示屏顯示電池組電壓，電流以及各電池SOC(state of charge)，實驗平臺如圖7 所示。

圖7 實驗平臺

3.1 均衡電路可行性驗證

7 節儲能電池中，電池1 至電池5 的初始SOC均為90%，電池6 和電池7 的初始SOC均為89%。均衡電源的初始SOC為90%。各電池SOC變化情況如圖8 所示。

圖8 電池SOC變化情況(使用升壓變換器)

相應的，負載端電壓變化情況如圖9 所示。

圖9 負載電壓變化情況

若在電池組處于放電階段，不使用升壓變換器，則電池的SOC變化曲線如圖10 所示。

圖10 電池SOC變化情況(不使用升壓變換器)

圖10 中，由于電池6 和電池7 退出運行，為維持負載電壓的穩定，均衡電源經過升壓變換器代替退出運行的兩節電池為負載供電。可以看到，除了電池6 和電池7 外，其余電池的SOC均逐漸下降。到約第100 s，電池1～電池5 的SOC已經降到89%。此時均衡電源退出運行，電池6 和電池7 開始為負載供電。

圖10 中，由于沒有使用升壓變換器，放電開始階段只有電池6 退出運行，到約第100 s，電池7 退出運行而電池6 為負載供電，直至約200 s，電池組達到均衡狀態，均衡電源退出運行。

從圖8 和圖10 中可以看到，本文所提出的均衡電路與可重構均衡電路一樣，可以較好地實現電池均衡的目的。圖8中，由于在初始階段，有兩節電池退出運行，相較于圖10，雖然其均衡時間較短，但其SOC的下降速率也明顯比圖8 的快，這是因為均衡電源所放出的電流更大。

從圖9 中可以看到，在電池處于放電階段，即使電池組處于均衡狀態，負載的端電壓并沒有出現明顯的跳躍或者時波動，證明本文所提出的均衡電路可以較好地穩定負載端電壓。

3.2 均衡方法可行性驗證

由于此處只是驗證本文所提出的均衡方法的可行性，故不考慮均衡電源的SOC變化情況。設置7 節儲能電池的初始SOC分別為82%，81%，80.5%，80%，79.5%，79%，78%。為簡單起見，本實驗只針對單節電池退出運行的情形，而不對復雜情況進行討論。圖6 中ΔSOCset參數設置為1%，在電池組處于放電過程中，使用傳統的均衡控制策略時，實驗結果如圖11 所示。

圖11 傳統均衡策略實驗結果圖

由于電池組始終處于放電狀態，從SOC最小的單體電池開始。各單體電池分別中斷為負載供電過程，直至其SOC偏移值達到可接受范圍以內。剛開始第7 節電池斷開，在約第450 s，達到均衡所設條件而停止均衡，接著第6 節電池開始啟動均衡，跟前面的電池一樣，剩下的電池依次進行均衡，直至滿足所設定的要求。

當采用本文所提出的均衡控制策略進行均衡時，實驗結果如圖12 所示。

圖12 本文所提出方法實驗結果圖

在電池組放電階段，電池7 因為電量較低需要被均衡，約在第150 s，第7 節電池的SOC達到設定的閾值，因此在放電階段，其均衡目標已經完成。在充電階段，除電池1 外，其余電池的SOC逐漸上升，在約第780 s，第1 節電池的SOC達到設定閾值。至此，電池組內所有的單體電池已經達到均衡狀態。

相比較而言，兩種策略都能較好地實現電池組均衡的目的，但前者需要對6 節單體電池進行均衡，均衡時間約1 300 s，而后者只需要對2 節單體電池進行均衡，均衡所用時間約300 s。本文所提出的控制策略放電時只需要考慮圖6 中放電過程中需要考慮的均衡區域內的電池，而在充電時只需要考慮圖6 中充電過程中需要考慮的均衡區域內的單體電池，而且由于該區域電池數目較少，故在均衡時較為方便。

4 結論

本文所提出的均衡電路，在傳統可重構均衡電路的基礎上，通過一個直流變換器與三個控制開關與均衡電源的配合使用，可以在電池組處于均衡狀態下較好地維持負載端電壓。本電路不僅僅保留可重構均衡電路在均衡過程中高靈活性和高轉換效率的優點，而且附加成本較小。除此之外，還提出一種均衡方法，該方法充分利用可重構均衡電路的特性，在保證電池組均衡的前提下優化電池均衡數目。通過搭建實驗證實所提出的均衡電路以及均衡策略具有可行性。