基于DC/DC雙向變換器的多電池主動均衡技術

王 津, 王文斌

(1.西交利物浦大學 智能工程學院，江蘇 蘇州 215028； 2.溫州德力西集團有限公司，浙江 溫州 325604)

0 引 言

目前，隨著科學技術的飛速發展，世界各國對能源與環境危機的關注日益增多。因此，在能源緊缺以及環境污染的雙重壓力下，世界各國都在積極進行新能源技術的研究開發。電池作為目前最流行的儲能裝置之一，可以儲存由風能、太陽能、核能等可再生能源產生的電能，從而避免由于新能源發電的不確定性和間歇性產生的電網系統不穩定和電能浪費問題[1]。在綠色能源的應用中，鋰電池以其高能量比、無記憶效應、循環壽命長等優點被廣泛應用[2-3]。目前，電池應用得比較廣泛的領域是電動汽車領域。電動汽車搭載的電池包由若干單體電池組成，但是在實際的制造和使用過程中，各單體電池由于內部電阻、溫度等特性的不同，極易出現電池間不均衡現象，影響電動汽車的續航能力[4-6]。

電池均衡主要分為主動均衡和被動均衡兩種[7]。被動均衡是能量耗散型均衡方法，隨著電力電子技術的不斷發展，能量耗散型均衡方法正被逐步淘汰。各類基于高頻開關電源技術的有源均衡電路在提高均衡能力的同時，又簡化了電路的均衡成本，逐漸成為國內外專家研究的重心。

文獻[8]針對傳統集中式電池均衡體積大、不易擴展、電路元件多、成本高的問題，提出將Buck-Boost變換器與開關矩陣相結合來實現電池均衡，并利用電感的時分復用有效地減少了電路的器件成本和體積大小，且電感電流處于斷續模式，有效地消除了單體電池間的交叉影響。文獻[9]針對鋰離子電池長期串聯使用出現的不一致問題，提出了一種基于雙向反激變換器的新型低成本均衡電路，有效降低了電路的成本，并有良好的均衡效果。文獻[10]提出了一種基于DC/DC變換器拓撲的有源電荷均衡技術，該技術在電池組充電/放電以及空閑期間時，在電壓和電荷方面實現電池組中的電池單元均衡，使電池組操作的能量和可靠性最大化，并由電壓監控電路控制的一組MOSFET開關管將電荷從最高電壓的單體電池轉移到較弱的單體電池中去，以確保每個電池具有相同的輸出電壓。文獻[11]提出了一種基于Buck-Boost變換器的有源平衡電路來處理電池組的不平衡狀態，該電路利用低頻雙向開關來控制電感的狀態(連接、斷開和短路狀態)，通過控制電感的狀態，可以在相鄰單元或幾個相鄰單元之間構建多種降壓-升壓變換器。文獻[12]提出了一種有源均衡電路和一種新穎的均衡策略來實現能量再分配，雙向拓撲由正激變壓器和開關矩陣組成，并利用聚類分析和遺傳算法來實現電池均衡，均衡后電池組容量提高了16.84%，均衡時間縮短了23.8%。文獻[13]提出了一種基于傳統Buck-Boost電路的新型非耗散兩級均衡電路拓撲，用以實現高效率、低成本的串聯鋰離子電池組均衡。文獻[14]提出了一種基于單元化多繞組變壓器的均衡方法，正激變換器和反激變換器同時存在，前向轉換器用于均衡同一子單元中的電池單元，而回掃變換器用于不同子單元的均衡。

雖然以上研究均提出了電池能量雙向傳輸的概念，但是缺少對能量雙向傳輸力度的控制作用。本文將在上述研究的基礎上，提出將雙向變換器、開關選通矩陣、正負極開關選通矩陣和模糊控制理論相結合的方式來實現對多電池的主動均衡。

1 均衡電路總體結構

本文提出的電池主動均衡電路中每個單體電池包含開關陣列、正負極開關陣列、雙向DC/DC電路，總體結構如圖1所示，總體均衡電路原理圖如圖2所示。

電池模塊由7塊3.2 V、40 Ah的鋰電池組成；開關陣列由16個MOSFET選通開關管與4個MOSFET正負極開關管組成；雙向DC/DC的充/放電電路由4個N-MOSFET開關管組成；均衡電路由2個理想開關和2個MOSFET開關管組成。

1.1 開關陣列分析

選通開關陣列的主要作用是選通某一塊單體電池，選通充電或是放電的MOSFET開關管，從而實現單體電池的充放電操作，選通開關陣列狀態如圖3所示。

1.2 充/放電電路分析

DC/DC雙向變換器的拓撲如圖4所示。該拓撲采用的是雙向正激變換器，左側U1表示單體電池電壓，右側U2表示1個42 V的直流電源。該電路拓撲主要由1個變壓器T，2個采樣電阻R1、R2，1個保護電阻R3，2個濾波電容C1、C2，1個箝位電容C3，1個濾波電感L，4個MOSFET開關管S1、S2、S3、S4，2個理想開關BS1_1、BS2_1和2個對應的充放電選通MOSFET開關管BS1_2、BS2_2組成。

當該電路拓撲處于充電模式時，理想開關BS2_1閉合，充電MOSFET開關管BS2_2閉合(根據均衡電流大小來決定占空比大小)，能量從高壓側傳向低壓側的驅動時序圖如圖5所示。

當該電路拓撲處于放電模式時，理想開關BS1_1閉合，放電MOSFET開關管BS1_2閉合(根據均衡電流大小來決定占空比大小)，能量從低壓側傳向高壓側的驅動時序圖如圖6所示。

2 均衡電路參數計算

2.1 變壓器參數

首先，變壓器輸入和輸出的關系如下所示：

(1)

式中：Uo為輸出電壓；n為匝數比；D為高壓側開關管占空比；Ui為輸入電壓。

2.2 繞組匝數

變壓器高壓側的匝數需要根據最小輸入電壓來進行確定，如下所示：

(2)

式中：Ui(min)為輸入電壓最小值；D1max為高壓側開關管最大占空比；fs為開關頻率；ΔB為磁通變化量；Ae為磁芯有效截面積。

本文Ui(min)取±20%的誤差，D1max取0.4，fs取250 kHz，ΔB取0.15 T，Ae取3.01×10-5，得出Np為11.56。

3 基于模糊控制的均衡電路

模糊控制理論的核心是建立語言分析的數學模型，將自然語言轉化為計算機語言[15]。模糊控制的過程主要分為4步：模糊化、設置規則表、模糊推理和解模糊。

將模糊控制算法用于均衡電路主要是為了對均衡電流的大小進行控制，避免大電流對電池造成傷害、引發危險事故。本文采用的模糊控制器是兩輸入、單輸出的形式，將平均荷電狀態(SOC)值(電化學儲能過程中儲能介質中實際存在的電荷數占額定儲能容量對應的儲能介質中含有的電荷數的百分率)作為輸入量E，將差值SOC值作為輸入量EC，均衡電流Ieq作為輸出量U。電池SOC的安時積分計算公式如下所示：

(3)

式中：I為電流；Q為額定容量。

(4)

(5)

式中：n為單體電池的數目；SOCi為第i個單體電池的電荷量。

根據經驗，選擇三角形的隸屬度函數，隸屬度的計算公式如下所示：

(6)

首先設置E的特征點論域為{0，0.25，0.50，0.75，1.00}，設置EC值的特征點論域為{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，設置U的特征點論域為{-5.0，-3.5，-1.5，0，1.5，3.5，5.0}。E、EC、U三者的隸屬度函數如圖7～圖9所示。

模糊控制的規則如表1所示，表中的規則使用的是“if 平均SOC……and差值SOC……thenIeq……”的條件語句，每個值都代表一條條件語句。

表1 均衡電流Ieq模糊控制規則表

根據模糊控制規則表可以得出不同平均SOC和差值SOC下的均衡電流大小，當均衡電流輸出的電流大小為正時，需要為對應的單體電池充電；若電流大小為負時，需要為對應的單體電池放電。圖10所示為該模糊控制系統的三維坐標圖。

如圖10所示，當給定輸入量E為0.5、EC為0.3時，輸出量U的大小為4.53 A。

4 仿真與結果分析

在進行仿真之前，設定好開關陣列選通和充/放電脈沖的選通規則。開關陣列選通的代碼編寫規則：第一步，利用“if”語句判斷此時哪一塊單體電池的差值SOC最大，進而對該塊電池進行相應的充/放電操作；第二步，根據單體電池選通對應的正負極開關管進行相應的充/放電操作。充/放電脈沖的代碼編寫規則：利用“if”語句判斷此時均衡電流的正負極性，從而進行相應的充/放電操作(正為充電，負為放電)。均衡電路的代碼編寫規則：將均衡電流的絕對值分為幾個區間，均衡電流的絕對值大，就執行最大占空比，以最大可能進行充/放電操作；反之，執行最小占空比。

接下來，本文主要基于MATLAB/Simulink平臺進行仿真研究，首先進行未優化電路的仿真(未進行變壓器參數優化和模糊控制算法優化)，設定7塊單體電池的SOC分別為61%、59%、58%、57%、56%、55%、52%，單體電池的詳細參數如表2所示，仿真結果如圖11所示。

表2 單體電池的詳細參數

進行第一組仿真，設定7塊單體電池的SOC分別為61%、59%、58%、57%、56%、55%、52%，仿真結果如圖12所示。

如圖11和12所示，截取仿真時間為600 s時的電池SOC進行對比分析，此時，未優化的電池電路中，第7塊單體電池的SOC約為52.25%，而經過優化的電池電路中，第7塊單體電池的SOC約為52.70%，從波形圖以及數據對比中可以明顯看出經過優化后的電池主動均衡電路的優越性，隨著時間的推移，均衡效果也在逐漸加強。

然后，進行第二組仿真，設定7塊單體電池的SOC分別為58%、57%、60%、55%、54%、51%、53%，仿真結果如圖13所示。由仿真結果可以看出，本文的電池均衡電路會優先執行差值SOC最大的單體電池，但是隨著差值SOC最大的單體電池的電荷量接近差值SOC排第二的單體電池，兩者會交替進行充/放電操作，逐漸趨近于平均SOC，越來越多的單體電池會加入交替進行充/放電的操作，進而實現多電池的主動均衡。

5 結 語

本文針對當前耗散型電池均衡方法的問題和電池使用過程中存在差異性的問題，提出一種雙向DC/DC均衡電路并結合模糊控制理論來控制均衡電流大小。本文以SOC為判斷依據，采用均值-差值法進行均衡，可以同時均衡多個單體電池，可控性強。根據仿真結果，本文提出的DC/DC雙向主動均衡電路和模糊控制理論結合的均衡策略可以快速改善電池組的不一致性問題，均衡時間較快，對電池均衡起到了積極作用。