串聯動力蓄電池充放電均衡控制研究

孟彥京， 楊 凡， 吳 輝

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

串聯動力蓄電池充放電均衡控制研究

孟彥京， 楊 凡， 吳 輝

(陜西科技大學 電氣與信息工程學院， 陜西 西安 710021)

動力蓄電池的實際使用壽命與理論循環壽命總是有很大的區別，為了延長動力蓄電池的使用壽命，針對現有均衡控制方案的不足，論文提出一種基于雙向半橋DC/DC電路的蓄電池充放電均衡控制方案，該方案具有均衡速度快，效率高，可以有效的延長電池組的壽命等優點.在MATLAB軟件上進行了仿真分析，結果證明該均衡控制方案達到了預期效果.

動力蓄電池； 充放電控制； 均衡控制

0 引言

同一規格、同一型號的電池單體串并聯組成的電池組中，由于制造工藝的偏差，單體電池的容量、內阻、自放電效率等不可能完全一致[1,2]，因此單

體之間的差異總是存在的.以容量為例，電池組中流過相同的電流，相對而言，容量小的單體可接受充放電電流小，容量大的可接受充放電電流大[3,4]，因此，容量大者總是處于小電流淺充淺放，容量衰減緩慢、壽命延長，而容量小者總是處于大電流過充過放，容量衰減加快、壽命縮短，兩者之間的性能參數差異越來越大，形成正反饋特性，小容量單體提前失效，組壽命縮短.因此電池組充放電過程中單體的動態均衡控制是非常重要的.

目前進行電池均衡的方法比較多，主要分為耗散型和轉移型均衡控制[5-10]，其基本是以單體的電壓為對象進行均衡控制的.耗散型[5,6]是對電池組中具有較高電壓的單體通過均衡電阻以熱的形式消耗掉多余的能量，該方法簡單易于實現，但是當組中單體數目較多時，產生的熱不能及時散出，組溫度上升，嚴重時甚至會危害到人身安全，且該方法會產生較大的能量損耗，電池能量利用率低，因此一般只應用于串聯電池少，需求均衡功率較小的場合.轉移型均衡控制[7-9]則是利用電容、電感、變壓器線圈等做為儲能轉移器件來實現能量均衡的.

雙向無損動態均衡控制策略[7,8]利用電感作為電能轉移的中間環節，實現了組內單體電壓的均衡控制，但是該方法僅限于在相鄰的電池單體之間進行能量傳遞，當電池組中串聯單體較多，組中電壓比較高的單體與電壓低的單體電氣距離較遠時，能量在傳遞過程中必然存在較大的損耗，并且需要較長的均衡時間.能量雙向轉移型均衡控制[9,10]實現了不相鄰單體電池之間的能量流動，但是其控制方案中用了較多的變壓器，增加了其控制系統能量的成本和損耗.

針對以上均衡控制策略所存在的問題，本論文提出了一種新的針對串聯動力蓄電池組中單體能量的均衡控制方案并進行了仿真研究.

1 動力蓄電池能量均衡控制方案

本設計所提出的均衡控制方案是利用雙向半橋DC/DC變換器[11]來實現6節串聯單體在充放電過程中能量的轉移，從而使個蓄電池組中各單體的電壓基本一致.

1.1 串聯蓄電池能量均衡功率控制電路

因超級電容具有循環壽命可達上百萬次且能夠快速充放電的特點[12]，所以本文選用超級電容作為能量轉移的中介.雙向半橋DC/DC電路的原理圖如圖1所示.

圖1 雙向半橋DC/DC電路原理圖

當VT1處于PWM控制狀態，VT0關斷時，最高電壓單體B、開關管VT1、二極管VD0、儲能電感L及超級電容C組成Buck電路；當VT0處于PWM控制狀態，VT1截止時，C、L、VT0、VD1及最低電壓電池B組成Boost電路.

為了實現每個電池單體都能與超級電容實現能量轉移且電路中不能出現短路情況，功率開關管采用橋式連接，電路圖如圖2所示.

圖2 串聯蓄電池能量均衡 功率控制電路圖

在蓄電池組充電或放電的過程中，檢測到電池組中電壓最高和最低的單體，利用控制驅動電路實現開關管的導通和關斷，使最高電壓單體給超級電容充電，當檢測到超級電容的電壓到達設定的最高閾值時，超級電容開始放電，把其能量傳遞給最低電壓的單體，當超級電容電壓到達設定的最低閾值時，再次由電池組中最高電壓的電池單體給電容充電，這樣就使得電池組中各單體的電壓基本一致.

假設BAT6需要均衡時，開關管VT3、VT4、VT6、VT7閉合，VT2、VT5、VT8～15斷開；假設BAT5需要均衡時，開關管VT2、VT5、VT7、VT8、VT9閉合，VT3、VT4、VT6、VT10～15斷開；以此類推，假設BAT4、BAT3、BAT2、BAT1需要均衡時，開關管VT2～VT15的閉合與斷開狀態.

1.2 超級電容充放電電流控制電路

在串聯蓄電池均衡過程中，超級電容作為能量轉移的中間環節，把最高電壓單體多余的電量經DC/DC電路傳送給最低電壓單體，此過程中，它總是處在充電或放電狀態.采用電流閉環控制實現均衡過程中超級電容充電和放電電流的恒定，其控制電路如圖3所示.

圖3 超級電容充放電電流控制電路圖

給定的超級電流的充放電電流Iset與電流傳感器檢測到電流的實際值Iref做差，把偏差值e送給比例積分電路進行調節，使偏差盡可能小，從而就使得超級電容充放電電流跟隨給定電流值.所述超級電容的充放電電流也即圖1中儲能電感L上流過的電流.

在給電池組充電或汽車啟動(電池組放電)時就開啟能量均衡管理系統，對蓄電池組中各單體電壓進行均衡控制，以使電池組在充放電末期，各單體電壓能基本一致，延長蓄電池組的使用壽命.

1.3 蓄電池均衡電路參數計算

圖2中的電池單體的額定電壓設置為12 V，容量為105 Ah，記Qn，電池組總電壓為72 V，因此選擇耐壓值為100 V的開關管.假設均衡電路中出現的最嚴重不平衡現象是，某一電池與另外5節電池的容量偏差為30%，這時該電池需要轉移的容量為：

(1)

若需要系統在4小時內均衡完畢，則每小時需要均衡的容量為：

(2)

由于該均衡電路的工作模式中，只有0.5 T(T為超級電容充放電周期)的時間內最高電壓的電池轉移出能量，所以轉移的電流為I1=2×6.562 5=13.125 A.假定超級電容的充放電周期為0.1 s，即T=0.1 s，超級電容的電壓變化量設定為ΔV=9.5-5.5=4 V，根據式(3)：

(3)

得超級電容的電容值為：

(4)

因此，選擇超級電容的容值為0.2 F，用4節容值為0.8 F超級電容串聯得到.

按照升壓電路計算儲能電感[13]，輸入電壓為5.5～9.5 V，輸出假設為12 V，負載平均電流為6.562 5 A，開關頻率10 kHz；對于升壓電路需要以最小電壓VINmin(5.5 V)來設計電感.

占空比如為：

(5)

周期為：

(6)

則導通時間為：

ton=D×T=54.2μs

(7)

伏秒積為：

VINminton=5.5×54.2=298.1μs

(8)

取電流紋波率r=0.1，根據式(9)：

(9)

而

(10)

則電感量為：

(11)

取L=220μH，且電感電流的額定值必須不小于式(12)：

(1+r/2)×IL×110%=16.5 A

(12)

其中10%為設計余量.

2 串聯蓄電池均衡控制仿真及結論

在MATLAB軟件上對所提出的能量均衡控制方案進行仿真驗證，仿真電路原理圖如圖4所示.

根據1.3節計算結果設定超級電容為0.2 F，額定電壓10 V，設定最高電壓閾值為9.5 V，最低電壓閾值為5.5 V；儲能電感為220μH.流過電感的電流為14.25 A；開關頻率為fs=10 kHz.設定串聯電池組中各單體電池BAT1～BAT6的初始電壓分別為11 V、11.5 V、12 V、12 V、13.5 V、14 V.其控制電路圖如圖5所示.

圖4 串聯蓄電池能量均衡仿真電路原理圖

圖5 串聯蓄電池能量均衡控制電路圖

采用電流閉環控制策略實現超級電容的充放電電流恒定在14.25 A；超級電容電壓值經滯環比較器比較后輸出τ，以τ=2和τ=1分別表示超級電容充電和放電的狀態；由Voltage Highamp;Low Distinguish函數判斷出最高和最低電池單體，根據Cap Charge or Discharge Control函數判斷出的需要均衡的單體并驅動相應功率開關管的導通和關斷(在1.1節已給出).所設定的BAT6的電壓最高和BAT1的電壓最低，BAT6的放電電流經主電路中VT1、D0、L形成的Buck電路給超級電容充電，當超級電容電壓上升到9.5 V時，超級電容的放電電流經L、VT0、D1形成的Boost電路對BAT1放電，當超級電容電壓下降到5.5 V時，再次判斷出組中的最高和最低電壓的電池單體，對超級電容進行充放電，實現最高電池單體能量流向最低電池單體，使得電池組中各單體電壓基本一致.BAT6、超級電容和BAT1的仿真結果如圖6～8所示.

圖6 BAT6的電量、電流、電壓顯示圖

圖7 超級電容的電量、電流、電壓顯示圖

圖8 BAT1的電量、電流、電壓顯示圖

仿真結果圖6～8表明，BAT6從0時刻開始放電給超級電容，在0.13 s，超級電容電壓上升到9.5 V，超級電容開始放電給BAT1；在0.2 s，超級電容放電電壓下降至5.5 V，由于此時BAT6的電壓還是比其他電池電壓高，所以BAT6繼續給超級電容充電.電池組中電壓最高的單體處在放電狀態，電壓最低的單體處在充電狀態，而超級電容總是處在充放電狀態；超級電容充放電電流在13.5～15 A，誤差不超過0.1 A(紋波率)，仿真結果表明該均衡控制方案是可行的.

3 結論

本論文針對現有均衡控制策略所存在的問題，提出了一種基于雙向半橋DC/DC電路的蓄電池充放電均衡控制方案，該均衡方案有以下幾個優點：第一，該方案不僅適合單體數目較少的電池組也適合串聯單體數目較多電池組中，能使最高電壓單體能量直接流向最低電壓單體，均衡速度快，效率高；第二，該均衡控制方案可以用于鉛酸蓄電池的均衡控制，也可以用于鋰離子等電池的均衡控制；第三，該控制系統在蓄電池充和放電的過程中都可以接入，這樣就使得電池組中的單體電壓能夠基本一致，電池組壽命得到延長.在MATLAB軟

件上對均衡方案進行了仿真驗證，結果證明了該均衡控制方案達到了預期的效果，可以延長動力電池組的循環壽命.

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【責任編輯：陳佳】

Researchofseriespowerstoragebatterychargeanddischargeequalizationcontrol

MENG Yan-jing, YANG Fan, WU Hui

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

The actual life and theory circle life of power battery always has the very big difference.In order to prolong the service life of power storage battery,aiming at the deficiency of the existing equilibrium control scheme,the battery charging and discharging balance control scheme based on a two-way half bridge DC/DC circuit has been put forward in this paper.The great advantages of this equilibrium control scheme are balancing with fast speed,high efficiency and which can effectively prolong battery life.The scheme is simulated on the MATLAB software.The results show that the equilibrium control scheme achieves the desired effect.

power storage battery; charge and discharge control; equilibrium control

2017-06-18

國家自然科學基金項目(51577110)； 陜西科技大學博士科研啟動基金項目(BJ12-30)

孟彥京(1956-)，男，陜西西安人，教授，博士，研究方向：電力電子技術與電力傳動

2096-398X(2017)06-0154-05

TM571.2

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