基于雙向DC-DC變換器的鋰電池組充電均衡策略

溫春雪， 臧 振， 霍振國， 李正熙

(北方工業大學北京市電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

基于雙向DC-DC變換器的鋰電池組充電均衡策略

溫春雪， 臧 振， 霍振國， 李正熙

(北方工業大學北京市電力電子與電氣傳動工程研究中心，北京100144)

分析了雙向DC-DC變換器給磷酸鐵鋰蓄電池充放電的工作原理及控制策略，并進行了仿真與實驗驗證。針對蓄電池在充電過程中出現的不均衡現象，分別介紹了非耗散電感均衡和單端反激變換器均衡的方法，并進行了仿真對比，結果表明了反激均衡比電感均衡速度更快且效果更好，從而能更有效提高蓄電池的安全性及使用壽命。

磷酸鐵鋰；雙向DC-DC變換器；均衡電路；反激變換器

目前利用太陽能和風能的互補特性而建立起風光互補發電系統，這種系統中大多采用蓄電池作為儲能元件。目前常使用的是磷酸鐵鋰蓄電池，這種電池在效率、循環壽命、成本且對環境無污染等方面有均衡優勢，除了在電動車和大規模化學儲能領域外，在風光互補發電新能源領域也必將有更廣闊的應用[1]。蓄電池的充放電控制技術的優劣一方面影響到整個系統的性能，另一方面關系到其使用壽命。本文將非隔離型雙向buck/boost電路應用到磷酸鐵鋰電池充放電過程中[2]，采用電壓電流雙閉環控制策略，實現對電池的恒流恒壓充電及恒流穩壓放電，并進行了仿真驗證，接著在蓄電池管理實驗平臺上分別進行了充電與放電實驗。

由于蓄電池單體的電壓和容量較低，一般在系統中需要將大量蓄電池單體串聯成組使用，由于制造工藝、工作條件等因素不同[3]，磷酸鐵鋰蓄電池組在使用過程中，每個單體的電量會出現彼此不均衡的現象，這將嚴重影響到電池組的工作效率及使用壽命，因此在蓄電池組間采取均衡措施是非常必要的。本文分別介紹了采用非耗散電感均衡和單端反激均衡方法，并在蓄電池充電過程中進行了均衡仿真驗證，得出了反激變換器比電感均衡電路均衡速度快、效果好的結論。

1 基于雙向DC-DC變換器的蓄電池充放電系統

1.1 風光互補發電系統

風光互補發電系統的結構如圖1所示，由光伏、風力發電機、蓄電池儲能系統、雙向變流器及負載組成[4]。

圖1 風光互補發電系統結構

圖1中的虛線框所簡化的儲能系統，主要由蓄電池組和雙向DC-DC電路組成。本文研究在風光互補發電系統中，當光伏與風機不能提供足夠功率的情況下，由儲能系統單獨與負載系統進行能量交換能否維持系統穩定的情況。當由儲能系統向負載供電時，雙向DC-DC電路工作在升壓模式，蓄電池組處于放電狀態，維持母線電壓的穩定；反之，蓄電池組處于充電狀態，雙向DC-DC平滑切換到降壓模式，對蓄電池進行恒流恒壓充電。工作模式的切換根據功率及母線電壓情況決定。

1.2 雙向buck-boost變換電路

本文采用圖2所示的非隔離型雙向buck-boost電路作為蓄電池組的充放電電路。該電路元器件數量少，造價低廉，沒有變壓器損耗，效率高，易于包裝和集成[5]。

圖2 雙向buck/boost充放電電路

當電池組充電時，變換器工作在buck模式下，開關管Q1以一定占空比導通和關斷，Q2可以關斷也可以互補工作，D2為續流二極管，能量由Udc流向Ub，蓄電池組吸收能量；當電池組放電時，變換器工作在boost模式下，能量由Ub流向Udc，蓄電池組釋放能量。這樣，當前端發電功率剩余或短缺時，通過控制兩個開關管的通斷即可實現蓄電池組的儲能或釋能，從而抑制直流母線電壓的波動。

1.3 控制策略

磷酸鐵鋰電池一般采用恒流-恒壓的充電方式，在初始時先用恒定電流對電池充電，然后當電池的電壓上升到一定值時電流減小以恒壓的方式充電，這樣既可解決恒壓充電的初始大電流問題，又可以在一定程度上提高充電速率。電池放電電壓外環穩定母線電壓，電流內環實現對蓄電池組放電電流的控制。因此蓄電池充放電均采用電壓外環和電流內環雙閉環控制策略。控制框圖如圖3所示。當充電時以充電恒壓值作為電壓給定值，充電恒流值作為電流給定值，經過雙閉環控制實現電池的恒流恒壓充電；放電時以直流母線電壓給定值與實際輸出電壓經電壓調節器得到放電電流給定，與實際放電電流比較再經電流調節器得到輸出，經過脈寬調制產生開關器件的控制信號，從而穩定母線電壓。

圖3 蓄電池充放電控制框圖

2 串聯蓄電池組均衡策略

2.1 非耗散電感均衡

在串聯鋰離子電池組應用中，一方面蓄電池組遵循“木桶原理”的最短板效應，串聯蓄電池組不能達到充放電極限并完全釋放可用容量，另一方面串聯蓄電池組中各單體電池之間存在的不一致性會加速某些電池的容量衰減從而進一步加劇不一致性[6]。因此對串聯電池組進行充電均衡既可以提高電池應用效率，也能夠延長電池使用壽命。目前常用的是非耗散電感均衡電路和單端反激變換器均衡電路[7]。

非耗散電感均衡電路就是在每兩個相鄰電池間均接有一個均衡電路，每個均衡電路負責與之相連兩個單體間的能量均衡，以電感作為儲能元件，把高能單體的能量通過電感轉移到低能單體上，從而達到均衡的目的。采用開關電感法的非耗散電感均衡拓撲結構如圖4所示，每個電池均衡電路由兩個場效應管Q，兩個二極管D和一個儲能電感組成。如果兩個蓄電池B1和B2的電量，(SOC定義為剩余容量與總容量的比值，表示蓄電池現有的存儲狀態，是蓄電池組能量管理的主要依據)，則將Q1導通，此時B1將能量通過Q1轉移到L1中；Q1關斷，L1中的能量通過二極管D4轉移B2中，上述2步循環往復，直到，這樣就實現了從B1到B2的能量轉移，即實現了均衡；同理，當時，先將Q4導通一段時間，再關斷Q4，循環往復直到，即可實現能量從B2向B1的轉移。能量均衡過程中開關Q1導通關斷時間的長短直接關系到能量均衡的效率。為了使儲能電感的能量在一個開關周期內不累積，應使開關占空比D≤0.5。當檢測蓄電池組中出現能量不均衡時，通過控制均衡電路開關管實現能量在相鄰單體間的轉移，最終實現電池組間的均衡。

圖4 非耗散電感均衡拓撲

2.2 單端反激變換器均衡

圖5 單端反激變換器均衡拓撲

單端反激變換器均衡是經一個多繞組的反激變換器實現對電池組中容量較低的單體電池直接充電的均衡方案，電路結構如圖5所示，這種結構一方面實現了電路隔離，另一方面反激變換器經變壓器多繞組輸出，可以同時實現原邊對副邊多個單體的充電均衡。工作原理如下：當均衡系統檢測到電池電量不均時，控制原邊開關管Q1，能量以磁場能量儲存在變壓器T1中，由于變壓器同名端的極性設置，副邊繞組為上負下正，二極管截止，副邊繞組沒有電流通過；當開關管Q1關斷時，副邊繞組極性變為上正下負，二極管導通，此時電池組電量較低的單體電池對應的副邊開關管Qn導通，儲存在變壓器原邊繞組中的能量通過二極管傳遞到電池中。通過控制反激變換器的開關與占空比可同時對電量較低的電池充電來完成均衡。控制流程如圖6所示。單端反激變換器均衡能夠根據實際SOC有針對性地選擇電池單體進行均衡處理，大大提高均衡的效率。另外，作為電氣隔離的小功率應用場合最廣的變換器，單端反激變換器拓撲簡單、動態響應迅速[8]。單端反激變換器有電流連續和電流斷續兩種工作模式，結合電池均衡系統的特點分析，由于變壓器副邊直接連接電池單體，電壓等級比較低，電流等級要求也不高，負載相對恒定，所以輸出電流峰值較小的連續工作模式滿足其要求[9]。

圖6 均衡控制策略流程圖

3 仿真與實驗結果

3.1 蓄電池充放電仿真與實驗

根據蓄電池組恒流恒壓充電及恒流穩定放電的要求，結合風光互補系統的實際情況及上述充放電控制策略，首先在MATLAB/Simulink中搭建了充放電仿真模型，仿真參數如下：蓄電池端電壓=150 V，容量=200 Ah，初始=82%，直流母線=460 V，開關管頻率=20 kHz，電感和電容分別選擇為=2.5 mH，=0.2 mF，仿真結果如圖7(a)所示，初始階段以40 A(0.2)恒流充電，當電池端電壓接近163 V后轉為恒壓充電，由此可知對蓄電池組實現了恒流恒壓充電。設置當母線電壓低于460 V時，蓄電池組切換到放電模式，放電電流及輸出電壓曲線如圖7(b)所示，由圖可知蓄電池組放電電流恒定且輸出電壓穩定，實現了恒流穩壓放電，能夠起到穩定母線電壓的作用。

圖7 蓄電池組充放電仿真曲線

然后根據上述仿真情況在蓄電池管理實驗平臺上進行了充放電實驗驗證。蓄電池組為48節3.2 V，200 Ah的磷酸鐵鋰電池串聯，端電壓達150 V左右，充電時設置充電電流為30 A，恒壓值設為154 V，充電實驗波形如圖8所示。

圖8 蓄電池恒流恒壓充電波形

由上面波形可知蓄電池組先以接近30 A的電流充電，隨著端電壓接近恒壓值154 V，充電電流慢慢減小到圖8(b)所示的20 A，實現了恒流/恒壓兩段式充電。

蓄電池組放電實驗模擬了負載突變時，輸出電壓變化的情況。放電時，先在變換器輸出端接入1 kW的直流負載，然后突變為3 kW，蓄電池放電電流及輸出電壓波形如圖9所示。

圖9 蓄電池恒流穩壓放電波形

由上面波形可知當負載突變時，蓄電池組能夠輸出恒定電壓，維持母線電壓的穩定。

3.2 蓄電池組均衡仿真結果對比

在上述充電方案的基礎上，在MATLAB/Simulink中分別搭建了非耗散電感均衡和單端反激變換器均衡模型，為了對比這兩種均衡方法，設置蓄電池組初始狀態和仿真條件相同，均以3塊單體容量為10 Ah，端電壓為3.2 V的串聯磷酸鐵鋰電池為例，3塊串聯蓄電池單體的初始電量分別為，以5 A(0.2C)恒流源充電同時啟動均衡，圖10為兩種方法的對比效果圖。

圖10 非耗散電感均衡和反激均衡仿真結果對比

由仿真結果對比可知，在充電過程中反激均衡電路在125 s左右能實現均衡，而電感均衡則要在接近300 s時達到均衡要求，反激均衡電路比電感均衡電路快了近60%。

4 結論

本文對雙向DC-DC變換器實現蓄電池充放電的結構、工作原理、控制策略進行了詳細介紹，通過仿真與實驗驗證了其可行性。在此基礎上，仿真對比了在蓄電池充電過程中非耗散電感電路和單端反激變換器兩種均衡控制方法，證明了單端反激變換器均衡比非耗散電感均衡能有效減少均衡時間，提高均衡效率，并且反激均衡能夠有針對性地對單體電池進行均衡，避免了電感均衡中處在中間位置的電池出現同時充放的情況，更有效地延長電池壽命。

[1]JIAYUAN W，ZECHANG S，XUEZHE W.Performance and characteristic research in LiFePO4battery for electric vehicle applications[C]//2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference，Dearborn：IEEE VPPC，2009：1657-1661.

[2]楊惠，孫向東，鐘彥儒，等.基于雙向DC-DC變換器的超級電容器儲能系統研究[J].西安理工大學學報，2011，27(4)：456-460.

[3]劉有兵，齊鉑金，宮學庚.電動汽車動力電池均衡充電的研究[J].電源技術，2005，28(10)：649-651.

[4]HUI J，BAKHSHAI A，JAIN P K.A hybrid wind-solar energy system：a new rectifier stage topology[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition IEEE，Palm Springs：APECE IEEE，2010：155-161.

[5]周莉.新型Buck/Boost電路在充電裝置中的應用[J].煤礦機電，2008(6)：42-45.

[6]張巍.純電動汽車電池管理系統的研究[D].北京：北京交通大學，2008：6.

[7]邱斌斌.磷酸鐵鋰電池組均衡充電及保護研究[D].重慶：重慶大學，2013.

[8]林渭勛.現代電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2006：120-130.

[9]武笛.基于雙向反激直流變換器的鋰離子電池均衡系統仿真研究[D].上海：上海交通大學，2012.

表3 不同分配方式對應的庫侖效率損失和最大旁路電流

參考文獻：

[1]WEBER A Z，MENCH M M，MEYERS J P，et al.Redox flow batteries:a review[J].Journal of Applied Electrochemistry，2011，41：1 137-1 164.

[2]TANG A，MCCANN J，BAO J，et al.Investigation of the effect of shunt current on battery efficiency and stack temperature in vanadium redox flow battery[J].Journal of Power Sources，2013，242：349-356.

[3]TANG A，BAO J，SKYLLAS-KAZACOS M.Studies on pressure losses and flow rate optimization in vanadium redox flow battery[J].Journal of Power Sources，2014，248：154-162.

[4]XING F，ZHANG H M，MA X K.Shunt current loss of the vanadium redox flow battery[J].Journal of Power Sources，2011，196：10 753-10 757.

[5]李學海，王宇軒，黃雯.雙極性電堆中漏電電流簡化計算模型[J].電源技術，2011，35：1 082-1 085.

[6]WANDSCHNEIDER F T，RHM S，FISCHER P，et al.A multi-stack simulation of shunt currents in vanadium redox flow batteries[J].Journal of Power Sources，2014，261：64-74.

Research on charge equalization strategy of LiFePO4batteries based on Bi-directional DC-DC converter

The Bi-directional DC-DC converter for charging and discharging of LiFePO4batteries’ working principle and control strategy was analyzed, and the method by simulation and experiment was validated.To solve the imbalance problem in the process of charging for batteries,inductive circuit and fly-back converter were introduced respectively,both were compared by simulation.The results show that the fly-back converter is faster and more accuracy than the inductive circuit,which could significantly improve the safety and working life of the batteries.

LiFePO4；Bi-directional DC-DC converter；equalization circuit；fly-back converter

TM912

A

1002-087X(2016)12-2424-04

2016-05-21

北京市教育委員會市屬高校創新能力提升計劃項目(TJSHG201310009030)；青年拔尖人才強校項目(XN070022)

溫春雪(1980—)，男，內蒙古自治區人，博士，副教授，主要研究方向為分布式發電及微網系統控制技術。