基于電池模組重構的均衡充電控制方法

孫金磊，鄒 鑫，崔 凱，朱金大

(國網電力科學研究院有限公司(南瑞集團有限公司)，江蘇南京 211106)

鋰離子電池以其高功率密度、高能量密度和無記憶效應等優點被廣泛應用于電動汽車、儲能電站和移動電子設備。可是電池成組使用后，單體一致性和老化都對電池組的能量利用效率產生了極大的影響，個別單體的故障或性能衰退會引發電池組的安全隱患[1]。因此，固定連接拓撲電池組的電量一致性只能通過均衡的方式調整電池組電量，但對于個別單體的非正常老化甚至故障仍無能為力[2]。可重構電池網絡則能夠克服固定連接拓撲電池組在這方面的缺陷，通過拓撲的變化實現電量不均衡電池組均衡的同時，實現電池組滿充的目標，避免由單體故障導致的電池組安全問題[3]。

為了實現電池組可重構的目的，從而延長電池組使用壽命、降低電池組故障率，國內外學者進行了大量相關研究。文獻[4]針對m串n并電池組構建了重構電池系統，在充放電過程中可以旁路達到充放電截止電壓的電池而不影響其他電池的充放電進程。開關旁路型電池與其他可重構電池拓撲結構相比，它的突出優點是大大減少了開關數量。文獻[5]提出一種基于DC-DC 變換器的電池組重構系統，該系統中的電池不再直接串聯，而是每一個電池單體都連接到一個DCDC 變換器的輸入端，DC-DC 變換器的輸出端構成串聯電路。由DC-DC 變換器構成的串聯電路直接給負載供電。通過改變DC-DC 變換器的控制信號可以改變輸出電壓，解決當幾節電池旁路后工作電壓降低的問題。對于電池組均衡策略，目前相關研究大多集中在以單體端電壓一致為目標的電壓均衡和以電池荷電狀態(state of charge，SOC)一致為目標的SOC均衡[6]。通過對現有文獻的梳理發現，大部分相關研究集中在可重構系統的構建，少數研究關注重構給電池組性能帶來的提升及性能優化。

本文以可重構電池組的構建，以及在充電過程中實現均衡控制為目標，構建基于光電MOS 隔離驅動的電池重構網絡，實現任意單體組合的電池組構建。在此電路拓撲基礎上開發電池電壓、電流檢測系統，配合實現可重構系統的電池管理。以SOC一致作為聚類分組的依據，并按分組電量從小到大的順序依次接入電池組進行充電，最終采用模組實驗的方式驗證可重構電池組的電量均衡效果，證明了所提出方法的有效性。

1 可重構電池組硬件設計

可重構電池組主要由重構電路和采集電路兩部分構成。

1.1 電池重構電路

為了在實現電池串聯重構功能的同時盡量減少開關數量，降低系統復雜度，重構電路采用開關旁路型重構拓撲結構，如圖1 所示。

圖1 電池旁路型可重構電路拓撲結構

圖1 中，在該拓撲中每節單體電池連接2 個開關，通過開關旁路的方法將失效電池旁路而不影響其他電池充放電。當電池C2 需要旁路時，先斷開與電池串聯的開關，再閉合與電池并聯的開關，整個電池組仍能正常工作。在系統工作時，重構電路利用光電MOS 實現開關的開閉狀態切換，實現電池模組的重構。

1.2 電池狀態采集電路

為了便于為重構策略提供依據判斷，必須對電池組內單體電壓和電池組電流進行實時準確的測量。在本系統中，電池單體電壓和電流均通過單片機的ADC 功能進行采集。在電池模組重構過程中，各個單體電池的電壓信號為彼此獨立且非共地的信號，采用AD620 差分運算放大器實現電壓信號的采集，并將電壓信號經過縮小處理后轉化為單片機可以識別的ADC 數值。電池電壓轉換電路如圖2 所示。

圖2 電池電壓轉換電路

電池模組充放電電流采用ACS712-5A 電流傳感器進行檢測，將電流信號直接轉換為電壓信號，并最終通過單片機ADC 進行采集。

2 基于電池模組重構的均衡充電控制策略

2.1 SOC 估計方法

本文采用SOC的估計結果作為充電過程中系統重構的判斷依據。由于本文主要關注充電過程，其工況相對簡單，采用開路電壓法和安時積分法相結合，其計算公式如式(1)所示。

式中：SOC0為初始狀態的SOC；CN為額定容量，這里假設不考慮老化的影響，電池容量固定；η 為充放電效率；I為充放電電流。可以看出，電池SOC的增減與充放電電流的時間積分有關，其中η 表示庫侖效率近似為1。對于SOC0初始狀態的獲取，主要利用開路電壓在長時間靜置后與SOC的非線性對應關系曲線獲得[7]。

通過這種方法可以在充電過程中獲取每一個單體的實時SOC狀態，并根據該狀態進行系統重構。

2.2 均衡充電的重構過程

本文在假設電池組內單體容量相同的前提下，根據電池組內單體電量進行聚類分組。先對電量整體最小的一組進行充電，當該組電量達到另一組電量水平時，重構系統通過開關切換使兩個組電池構成新的電池組，并一起充電。當整體電量達到另外一組的電量時再啟動電池組重構，使新的一組電池加入充電序列。以聚類成3 個組進行充電為例，其示意圖如圖3 所示。

圖3 基于SOC的電池充電均衡過程

在T1 時刻，根據分組首先對SOC較低的組進行充電，即對Group1 進行充電。此時Group1 中C1、C2 所對應的充電開關閉合，旁路開關斷開，進入充電狀態，其他電池充電開關斷開，旁路開關閉合，進入隔離狀態。電路重構為以下狀態，如圖4 所示。

圖4 T1—T2時刻重構電路

在T1—T2 時刻，Group1 的SOC隨著充電進行而逐步提升，并且其數值大小逐漸接近Group2 中的SOC最小值。

當Group1 中電池SOC與模組中Group2 足夠接近至滿足式(2)時，認為Group1 與Group2 可重新分為一組。

其中N1為對兩組電池SOC一致性約束程度，這里取N1=3%，因為對于SOC的估計存在一定誤差，所以兩組電池SOC差值在3%以內是可以接受的。SOCGroup1和SOCGroup2可由電池組中各電池SOC取最小值計算得出，如式(3)所示。

式中：SOCGroup為該分組SOC的代表值；n為該分組中電池個數。

在T2—T3 時刻，Group1 與Group2 的SOC滿足約束條件，則準備對這兩組電池同時充電，充電電路進行重構。電池C3、C4、C5 從隔離狀態進入充電狀態。為防止電池發生短路，則電池對應開關先全部斷開后再閉合充電開關，此時電路中沒有電流流過，各電池SOC不發生變化。

在T3—T4 時刻，電池開始對兩組電池進行充電，其電路狀態如圖5 所示。在充電過程中對電池組SOC的估算由對兩組電池的SOC求平均值計算得出。

圖5 T3—T4時刻重構電路

在T4—T5 時刻，Group1、Group2 與Group3 的SOC一致性程度滿足約束條件時，充電電路繼續開始重構，準備對三個分組進行充電。

在T5—T6 時刻，對電池開始充電，其電路狀態如圖6。

圖6 T5—T6時刻充電重構電路

在T6 時刻，根據電池端電壓和SOC，判定電池模組完成均衡充電，充電到此結束。

以上為采用本系統在充電過程中進行系統重構并最終實現電池組整體充滿的完整過程。在該實例中，根據電池SOC分布，對模組中電池進行了分組梯次充電，達到了均衡的目的。

3 仿真分析與實驗驗證

3.1 電池與設備

為了驗證本文所設計的重構均衡充電系統及均衡策略的有效性，搭建了電池實驗測試平臺并進行實驗驗證。所采用的Neware CT-4008 5V20A 能夠根據預先設置的步驟和電壓、電流閾值對電池進行充電、放電操作，該設備電壓監測范圍為0.025～5 V，采樣精度為±0.05%，電流設置范圍為0～20 A，采樣精度為±0.05%。電池測試機Arbin BT-ML60V50A 能夠對串聯電池組進行充電、放電操作，該設備電壓、電流范圍分別為2～60 V 以及0～50 A，精度為±0.2‰。

實驗所用電池組由7 節電池單體組成，均為18650 三元鋰電池。電池質量為48 g，容量2.2 Ah，額定電壓3.6 V，上限截止電壓4.2 V，下限截止電壓2.75 V，最大充電電流1C(2.2 A)，最大放電電流5C(11 A)。

3.2 均衡充電效果驗證

將7 節電池單體串聯構成電池組，預先測量得到電池單體長時間靜置后的開路電壓，系統根據其測量的初始電壓對其SOC進行估算，檢測及估算結果如表1 所示。

表1 電池狀態檢測結果

從表1 中數據可以看出，利用開路電壓法估計的初始SOC估計最大誤差在3%以內。通過計算得到的各分組段充電時間如表2 所示。

表2 電池分組及充電時間計算

在電池分別通過重構均衡充電和直接充電后，初始SOC與充電后SOC分布如圖7 所示。由圖7 可知，對于給定SOC分布的電池組，經過重構均衡充電后，電池組單體最大SOC偏差3%，未經均衡操作的電池組充滿時最大和最小SOC差值達60%。因此，均衡充電對于提高電池組SOC分布一致性效果顯著。

圖7 有無重構均衡的充電前后電池組電量比較

針對這兩種充電方法，直接進行充電的充電時間為1 049 s，可用容量0.76 Ah，可用容量占比34.6%。而采用重構均衡充電方式，充電時間5 079 s，可用容量1.98 Ah，可用容量占比90.5%，與傳統方法相比電池組可用容量占比提升55.9%。

為了進一步證明本文所提出均衡充電方法的優越性，將本文所用方法與現有均衡充電方法進行比較。選取幾種典型的均衡拓撲與充電過程相結合，再與所提出基于重構的均衡充電方法在均衡充電速度、能耗、成本和均衡靈活性等方面進行比較。設置比較的參數數值為5 個等級，1 表示性能低，5 表示性能高。比較結果如表3 所示。

表3 N 節串聯電池組重構均衡充電與其他均衡充電方法比較

通過橫向比較發現，所提出的基于重構的均衡充電方法在充電過程中通過不斷重構的方式在充電結束時就可以實現電量均衡，相比于傳統的均衡和充電兩步完成的方式節省了時間。可重構系統的加入，雖然提升了一部分系統成本，但其可任意重構的特性提升了系統的構建靈活性。這種方案要求充電系統具有恒流調整能力，只需充電過程中補充能量，并沒有能量的轉移和消耗。因此，通過綜合評定結果可以看出本文所提出的基于重構系統的均衡充電方法具有一定的優越性。

4 結論

本文針對串聯電池組電量不均衡時無法實現滿充的問題，提出了一種基于電池重構的均衡充電控制方法，針對7 節電池串聯構成的電池組，設計了電池重構系統和狀態監測系統，實現任意電池單體串聯組合，并在此基礎上以SOC為判據進行聚類分組，然后根據電量整體從低到高的順序依次接入電池組并進行充電，最終實現電量不均衡電池組整體同步充滿。實驗結果表明，該方法與無重構系統的充電方式相比，電池組可用容量提升達55.9%。