串聯(lián)電池組電容式均衡系統(tǒng)研究

馮能蓮，陳龍科，湯　杰

(1.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京　100124；

2.安徽昊方機(jī)電股份有限公司，安徽 蚌埠　233010)

?

引用格式：馮能蓮，陳龍科，湯杰.串聯(lián)電池組電容式均衡系統(tǒng)研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016(1):1-6.

Citation format：FENG Neng-lian, CHEN Long-ke, TANG Jie.Study on Capacitive Equalizing System for Series Battery [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(1):1-6.

串聯(lián)電池組電容式均衡系統(tǒng)研究

馮能蓮1，陳龍科1，湯杰2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京100124；

2.安徽昊方機(jī)電股份有限公司，安徽 蚌埠233010)

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)電容式均衡電路均衡速度較慢的問題，提出了具有兩種環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路，并建立其仿真模型。仿真分析了采用不同電壓分布時(shí)的均衡效果，并與雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路和鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明：所提出的均衡電路在提高均衡速度的同時(shí)具有較低的能耗比。

關(guān)鍵詞：串聯(lián)電池組；電壓均衡；開關(guān)電容

目前，電池已廣泛用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車、工業(yè)儲(chǔ)能等領(lǐng)域。無論是電動(dòng)汽車或是大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用，串聯(lián)成組是電池的主要使用方式之一，但所串聯(lián)的單體電池的不一致性嚴(yán)重影響了電池組的有效容量、循環(huán)壽命、安全性和經(jīng)濟(jì)性，使電池組難以被充分利用。同時(shí)單體電池的一致性又是相對(duì)的，過分強(qiáng)調(diào)制造過程中的一致性或使用過程中環(huán)境的一致性，只能以提高動(dòng)力系統(tǒng)成本為代價(jià)[1]。如何保證電池的安全、高效成組使用成為當(dāng)前亟待解決的問題。電池均衡技術(shù)作為電池成組應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)之一，能夠有效緩解制造過程和使用過程中產(chǎn)生的不一致性，提高電池組的整體性能。

1開關(guān)電容式均衡方法

用于串聯(lián)電池組的均衡電路主要有兩類：一是能量消耗型，指利用并聯(lián)電阻等方式將電池組中電量較多的電池的能量進(jìn)行耗散，直到其荷電狀態(tài)達(dá)到平均值的均衡電路；二是非能量消耗型，指利用電容、電感等儲(chǔ)能元件在單體電池或電池組之間進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，使電池組電壓保持一致的均衡電路[2]。

均衡的目的之一是延長電池壽命以降低其使用成本，并盡可能縮短均衡所需時(shí)間[3]，因此，非消耗型均衡方式將是未來發(fā)展的方向。其中以電容作為儲(chǔ)能元件的電容式均衡電路具有成本低、體積小、能量損耗低的優(yōu)勢(shì)[4-5]，且不依賴電壓傳感器，并且能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)均衡。

電池B1～B4的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均衡電路[6](見圖1)由電容C1～C3及相應(yīng)的開關(guān)組成。所有開關(guān)一致向上或向下閉合，使電容C1～C3與電池模塊B1-B2-B3、B2-B3-B4交替并聯(lián)連接工作，不斷使電荷由高電壓電池轉(zhuǎn)移到低電壓電池，最終實(shí)現(xiàn)電池組電壓均衡。該均衡電路控制簡單，但在高、低電壓電池分隔較遠(yuǎn)時(shí)，相鄰電池之間會(huì)存在一定的電壓降導(dǎo)致均衡結(jié)果變差，均衡速度變慢。

基于開關(guān)電容均衡電路原理，新的均衡電路不斷出現(xiàn)，主要包括雙層開關(guān)電容均衡電路[12-14]、雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路[15]、單層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路[16-17]、鏈?zhǔn)介_關(guān)電容均衡電路[16-17]、鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路[18]，見圖2～6。

圖1　開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均衡電路 圖2　雙層開關(guān)電容均衡電路

圖3　鏈?zhǔn)介_關(guān)電容均衡電路 圖4　單層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路

圖5　雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路 圖6　鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路

雙層開關(guān)電容均衡電路(見圖2)由電容C1～C5及相應(yīng)的開關(guān)組成。相對(duì)于圖1的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均衡電路，新增均衡電容C4和C5，使電荷轉(zhuǎn)移途徑增多，轉(zhuǎn)移平均距離縮短，均衡電容電流減小。

鏈?zhǔn)介_關(guān)電容均衡電路(見圖3)由電容C1～C4及相應(yīng)的開關(guān)組成。均衡電容C1～C4與電池模塊B1-B2-B3-B4、B2-B3-B4-B1交替并聯(lián)連接工作。由新增均衡電容C4構(gòu)成的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)使串聯(lián)電池組在均衡電路中首尾相連，電池組間電荷轉(zhuǎn)移的平均距離減半。

單層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路(見圖4)由電容C1～C4及相應(yīng)的開關(guān)組成。該均衡電路與雙層開關(guān)電容均衡電路的工作原理相同，但新增由均衡電容C4構(gòu)成的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同樣使電池組間電荷轉(zhuǎn)移的平均距離減半。

在鏈?zhǔn)介_關(guān)電容均衡電路中，新增均衡電容C4只在端電池B1和B4之間進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，工作電壓與單體電池電壓接近，均衡壓差為電池B1、B4之間的壓差；在單層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路中，新增均衡電容C4是在電池模塊B1-B2-B3和B2-B3-B4之間進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移，工作電壓接近所均衡的電池組電壓，均衡壓差為電池組B1-B2-B3和B2-B3-B4之間的壓差。由于在一個(gè)均衡周期內(nèi)電池B2和B3電壓無明顯變化，電池組B1-B2-B3和B2-B3-B4之間的壓差可視為電池B1和B4之間的壓差，因此這兩種均衡電路的均衡效果基本一樣。

雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路(見圖5)由電容C1～C6及相應(yīng)的開關(guān)組成。該均衡電路兼有雙層開關(guān)電容均衡電路和單層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。新增均衡電容C6使電荷轉(zhuǎn)移途徑更多、平均距離更短、均衡電容電流更小。

鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路(見圖6)由電容C1～C6及相應(yīng)的開關(guān)組成。該電路兼有鏈?zhǔn)介_關(guān)電容均衡電路和雙層開關(guān)電容均衡電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。新增均衡電容C4構(gòu)成的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)使電池組在均衡電路中首尾相連，電池組間電荷轉(zhuǎn)移的平均距離在雙層開關(guān)電容均衡電路基礎(chǔ)上減半，有效地縮短了均衡時(shí)間。

2鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路及其工作原理

在系統(tǒng)分析傳統(tǒng)電容式均衡電路的基礎(chǔ)上，提出鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路，如圖7(a)所示。該均衡電路由電容C1～C7及相應(yīng)的開關(guān)組成，兼有雙層開關(guān)電容均衡電路、鏈?zhǔn)介_關(guān)電容均衡電路和單層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

該均衡電路的控制方法與傳統(tǒng)的開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)均衡電路相同，有2個(gè)工作狀態(tài)，如圖7(b)和(c)所示。

圖7　鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路

工作狀態(tài)1如圖7(b)所示，所有開關(guān)向上閉合，電容C1～C7的電壓分別為VC1～VC7，滿足下列條件：

(1)

式中VB1～VB4分別為電池B1～B4的電壓。

工作狀態(tài)2如圖7(c)所示，所有開關(guān)向下閉合，電容C1～C7的電壓滿足下列條件：

(2)

在上述兩種工作狀態(tài)交替運(yùn)行下，所有電池電壓逐漸趨于一致，最終實(shí)現(xiàn)電池組電壓均衡。

3仿真結(jié)果與分析

3.1仿真條件

在Matlab/Simulink中，以4塊單體電池串聯(lián)為例，建立雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路、鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路和鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路模型，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。

為縮短仿真時(shí)間，在均衡電路仿真模型中，單體電池用電容與等效電阻串聯(lián)代替，雙向開關(guān)由2個(gè)MOSFET模塊組成(如圖8所示)。仿真電路參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表2中V1～V4分別表示電池B1～B4的電壓，并給出了電池組初始電壓的2種分布情況：

1) 電池B1電壓最高，其余電池電壓相等；

2) 電池B2電壓最高，其余電池電壓相等。

均衡電路為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，上述2種情況涵蓋了電池組最高電壓電池分布的所有情況。

圖8　雙向開關(guān)

轉(zhuǎn)換頻率F/kHz占空比D開關(guān)導(dǎo)通內(nèi)阻Rsw/mΩ100.55轉(zhuǎn)換頻率Cb/F電池內(nèi)阻Rb/mΩ均衡電容及其內(nèi)阻C/mFRc/mΩ100.10.15/20/35

表2　電池組初始電壓分布　V

3.2均衡過程分析

圖9給出了在2種電壓分布情況下，雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路、鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路和鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路均衡電池組電壓變化的過程。

第1種情況如圖9(a1)、(b1)、(c1)所示，在雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路和鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路中，電池B1中的電荷可同時(shí)向電池B2、B3、B4轉(zhuǎn)移，并且均衡壓差相等。因此，電池B2、B3、B4的電壓上升速度相同。在鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路中，電池B1中的電荷可向電池B2、B3、B4轉(zhuǎn)移，同時(shí)由均衡電容C4構(gòu)成的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)從電池B1向電池B4轉(zhuǎn)移電荷，并且均衡壓差均相等。因此，電池B4的電壓上升最快，而電池B2和B3的電壓上升相對(duì)較慢，但二者電壓上升速度相同。

第2種情況如圖9(a2)、(b2)、(c2)所示，在3種均衡電路中，電池B2中的電荷均可同時(shí)向電池B1、B3、B4轉(zhuǎn)移，并且均衡壓差均相等；而在鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路中，電池B1、B4電壓相等，由均衡電容C4構(gòu)成的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)無法從電池B1向電池B4轉(zhuǎn)移電荷。因此，電池B1、B3、B4的電壓上升速度相同。

圖9　在2種電壓分布情況下不同電路均衡電池組電壓變化過程

本文在評(píng)價(jià)均衡電路的均衡效果時(shí)，以均衡時(shí)效和均衡能效作為2個(gè)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。當(dāng)各電池電壓值的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.002 V 時(shí)視為均衡實(shí)現(xiàn)。電池組電壓標(biāo)準(zhǔn)差σ定義如下：

(3)

式中：n表示電池組串聯(lián)電池單體數(shù)；Vi表示第i塊電池電壓；V表示電池組平均電壓。電池組電壓的標(biāo)準(zhǔn)差σ越小，表示電池組電壓一致性越好。圖10給出了在2種電壓分布情況下，當(dāng)電池組電壓標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.002V時(shí)3種均衡電路對(duì)應(yīng)的均衡時(shí)間。

圖10　均衡時(shí)間比較

在第1種電壓分布情況下，雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路、鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路和鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路分別耗時(shí)7.52，7.68，6.48 s；在第2種電壓分布情況下，分別耗時(shí)7.53，7.67，7.67 s。對(duì)比均衡時(shí)間可知：

1) 在2種電壓分布情況下，雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路和鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路均衡時(shí)間基本相同，而雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路均衡時(shí)間稍短。同時(shí)驗(yàn)證了本文對(duì)鏈?zhǔn)介_關(guān)電容電路和單層環(huán)形開關(guān)電容電路的分析結(jié)果，即鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)與環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在均衡效果上基本相同。

2) 在第1種電壓分布情況下，鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路均衡時(shí)間縮短約16%，同時(shí)證明了鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)在均衡電路中起到的作用。而在第2種電壓分布情況下，鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路的均衡時(shí)間與鏈?zhǔn)诫p層開關(guān)電容均衡電路相同，但比雙層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路的均衡時(shí)間稍長。這一點(diǎn)也證明了本文對(duì)鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容電路的分析結(jié)果，即在兩端電池電壓相等時(shí)，由均衡電容C4構(gòu)成的鏈?zhǔn)酵負(fù)浣Y(jié)構(gòu)無法從電池B1向電池B4轉(zhuǎn)移電荷。

對(duì)于電容式均衡電路而言，能耗低是其突出優(yōu)點(diǎn)之一。根據(jù)電池組均衡前后各單體電壓的差值可得到均衡過程的能耗比。圖11給出了3種電路均衡過程中對(duì)應(yīng)的能耗比。在不同電壓分布情況下，各均衡電路的能耗比基本維持在0.02%左右。

圖11　均衡能耗比仿真結(jié)果

4結(jié)束語

在分析已有電容式均衡電路結(jié)構(gòu)的本質(zhì)區(qū)別與聯(lián)系的基礎(chǔ)上，提出了一種鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路，并通過仿真驗(yàn)證了該均衡電路的特點(diǎn)。

鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路具有雙層開關(guān)電容均衡電路、鏈?zhǔn)介_關(guān)電容均衡電路和單層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路結(jié)構(gòu)的綜合特點(diǎn)，為電荷的轉(zhuǎn)移提供了更多的途徑，能夠較好地適應(yīng)各種電壓分布不一致的情況，均衡時(shí)間更短且均衡能耗比較小，具有較好的均衡效果。

鏈?zhǔn)诫p層環(huán)形開關(guān)電容均衡電路突出的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使均衡控制策略的制定更為靈活，為均衡系統(tǒng)分層設(shè)計(jì)提供了新的方案，可提高整個(gè)均衡系統(tǒng)的綜合性能，具有很好的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]戴海峰，王楠，魏學(xué)哲，等.車用動(dòng)力鋰離子電池單體不一致性問題研究綜述[J].汽車工程，2014，36(2)：181-188.

[2]吳鐵洲，陳學(xué)廣，張杰，等.HEV鋰離子串聯(lián)電池組混合均衡策略研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，39(2)：102-104.

[3]張承寧，張曼，王志福.鋰離子電池組均衡方法概述[EB/OL].[2012-05-07].http://www.paper.edu.cn/releasepaper/content/201205-114.

[4]陳洋，劉曉芳，楊世彥，等.串聯(lián)電池組有源均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜述[J].電源學(xué)報(bào)，2013 (5)： 28-36.

[5]PASCUAL C,KREIN P T.Switched capacitor system for automatic series battery equalization[C] //Applied Power Electronics Conference and Exposition,1997.APEC’97 Conference Proceedings 1997.Twelfth Annual:IEEE,1997:848-854.

[6]ISAACSON M J,HOLLANDSWORTH R P,GIAMPAOLI P J,et al.Advanced lithium ion battery charger[C]//Battery Conference on Applications and Advances,2000.The Fifteenth Annual.USA:IEEE,2000:193-198.

[7]MOORE S W,SCHNEIDER P J.A review of cell equalization methods for lithium ion and lithium polymer battery systems[R].[S.l.]:SAE Technical Paper， 2001.

[8]CAO J,SCHOFIELD N,EMADI A.Battery balancing methods:A comprehensive review[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference,2008.USA:IEEE,2008:1-6.

[9]PARK H S,KIM C H,MOON G W.Charge equalizer design method based on battery modularization[C]//Sustainable Energy Technologies,2008.USA:IEEE,2008:558-563.

[10]HSIEH Y C,CAI Z X,WU W Z.Switched-capacitor charge equalization circuit for series-connected batteries[C]//Power Electronics Conference (IPEC-Hiroshima2014-ECCE-ASIA),2014 International.USA:IEEE,2014:429-432.

[11]BAUGHMAN A,FERDOWSI M.Double-tiered capacitive shuttling method for balancing series-connected batteries[C]//Vehicle Power and Propulsion,2005 IEEE Conference.USA:IEEE,2005:109-113.

[12]BAUGHMAN A C,FERDOWSI M.Analysis of the double-tiered three-battery switched capacitor battery balancing system[C]//Vehicle Power and Propulsion Conference,2006 VPPC’06.USA:IEEE,2006:1-6.

[13]BAUGHMAN A C,FERDOWSI M.Double-tiered swi-tched-capacitor battery charge equalization technique [J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2008,55(6):2277-2285.

[14]茹世祥，王召穩(wěn).串聯(lián)電池組環(huán)形電容均衡器探索與研究[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化， 2013 (22)：56-58.

[15]KIM M Y,KIM C H,KIM J H,et al.Switched capacitor with chain structure for cell-balancing of lithiumion batteries[C]//IECON 2012-38th Annual Conference on IEEE IndustrialElectronics Society.USA:IEEE,2012:2994-2999.

[16]KIM M,KIM C,KIM J,et al.A Chain Structure of Switched Capacitor for Improved Cell Balancing Speed of Lithiumion Batteries [J].Industrial Electronics,IEEE Transactions on,2014,61(8):3989-3999.

[17]FUKUI R,KOIZUMI H.Double-tiered switched capacitor battery charge equalizer with chain structure[C]//Industrial Electronics Society,IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE.USA:IEEE,2013:6715-6720.

(責(zé)任編輯劉舸)

Study on Capacitive Equalizing System for Series Battery

FENG Neng-lian1, CHEN Long-ke1, TANG Jie2

(1.College of Environmental and Energy Engineering,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2.Anhui Haofang Mechanical and Electrical Stock Company Limited, Bengbu 233010,China)

Abstract:A system with double-chain structure of double-tired switched capacitor was proposed for the slow cell balancing speed of conventional capacitive cell balancing circuits and the simulating models was built. This model took a simulation analysis on the balance performance of systems under different voltage distribution. In addition, this model was compared with annular double-tiered switching capacitor balancing system as well as double-tiered switching capacitor balancing system. The result shows that the system proposed is feasible and has low energy consumption ratio while balancing speed is improved.

Key words:series battery; voltage balance; switched capacitor

文章編號(hào)：1674-8425(2016)01-0001-06

中圖分類號(hào)：TM912

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.001

作者簡介：馮能蓮(1962—),男,安徽宣城人,教授，主要從事新能源汽車、智能車輛、汽車電子方面的研究。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075010)；北京市教育委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目(KZ200 910005007)

收稿日期：2015-11-25