電池組兩級環(huán)狀均衡拓撲及控制策略設計

李秉宇，杜旭浩，王 磊

(1.國網(wǎng)河北省電力有限公司電力科學研究院，河北石家莊 050021；2.河北五一八智能科技有限公司，河北邯鄲 056003)

鉛酸蓄電池價格低廉，技術成熟，安全性高，在備用電源領域應用廣泛。由南方電網(wǎng)公司普查數(shù)據(jù)可知，約8%的蓄電池甚至在3 年內(nèi)提前失效。導致這一現(xiàn)象產(chǎn)生的一個重要原因是各電池在生產(chǎn)和使用過程中存在不一致性，導致電池組整體性能下降。因此，開展蓄電池均衡技術的研究以提高電池組的一致性，對提高蓄電池的使用壽命及運行可靠性具有重要意義。

均衡拓撲分為被動均衡和主動均衡。被動均衡利用并聯(lián)電阻消耗高能電池的多余能量，但均衡電流小，速度慢，且會大量產(chǎn)熱。主動均衡利用電容、電感、變壓器、變換器等實現(xiàn)電池間能量傳遞。基于單電容或多電容的拓撲，通常以電壓為均衡變量，均衡速度較慢。基于電感的拓撲可實現(xiàn)相鄰電池間和任意電池間的能量傳遞，均衡速度快但控制策略復雜。基于變壓器的拓撲可實現(xiàn)較大電流均衡[1]，但變壓器體積大，成本高，拓展性差，且漏磁現(xiàn)象較為嚴重。基于變換器的均衡借助Buck-Boost[2-3]、Cuk[4]變換器等傳遞能量，但成本較高，控制策略復雜。

以電壓作為均衡變量時，當SOC處于20%～90%區(qū)間時，電壓變化較小[5]，此時均衡誤差較大；SOC反應放電深度，可從本質(zhì)上改善一致性，因此本文選擇以SOC作為均衡變量。

為解決電池組串首尾高差值SOC、能量傳輸路徑長的問題，本文以傳統(tǒng)的Buck-Boost 均衡拓撲電路為基礎，設計了兩級環(huán)狀均衡拓撲電路，在組內(nèi)首尾單體和組間首尾組間新增均衡電路。本文提出的兩級環(huán)狀均衡拓撲及其模糊控制策略經(jīng)正交仿真驗證，可顯著提高均衡速度和SOC一致性。

1 兩級均衡拓撲設計

傳統(tǒng)的Buck-Boost 均衡拓撲利用電感實現(xiàn)相鄰電池間能量的傳遞。n個單體電池構成的組串中，若相鄰單體間的SOC差值均大于閾值q，且SOCi＞SOCj(i＜j，i,j=1,2,…n)，則用傳統(tǒng)Buck-Boost 電路進行均衡后SOC極差為(n-1)q。而且，隨著電池組串的延長，此差值也會變大。因此，傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡拓撲可實現(xiàn)鄰近單體均衡，但無法實現(xiàn)相距較遠單體的快速均衡。為兼顧電池組遠近端單體的不一致性，本文對傳統(tǒng)級聯(lián)結(jié)構的Buck-Boost 均衡拓撲進行優(yōu)化。

通常情況下，在一個電池組內(nèi)，相鄰單體電池間和首尾兩單體電池間均存在均衡電路，稱為環(huán)狀電路，即環(huán)狀拓撲。同樣，一個電池組內(nèi)，可對串聯(lián)的n個電池進行分組，電池組內(nèi)相鄰單體電池間和首尾兩單體電池間、相鄰電池組和首尾電池組間均存在均衡電路稱為兩級環(huán)狀電路，即兩級環(huán)狀拓撲。

1.1 均衡拓撲

兩級環(huán)狀均衡拓撲結(jié)構示意圖見圖1。圖1(a)為一級均衡拓撲電路示意圖，為相鄰單體均衡；圖1(b)為電池組間均衡拓撲電路，包含第一級、第二級均衡電路。電池組每一小組設定為4 單體組成一組。

圖1 兩級環(huán)狀均衡拓撲及均衡電路示意圖

1.2 能量放充基本原理

單體/組放電回路及能量傳輸路徑示意圖見圖2。單體/組充電回路及能量傳輸路徑見圖3。

圖2 單體/組放電回路及能量傳輸路徑

圖3 單體/組充電回路及能量傳輸路徑

兩個不同的單體電池或兩個不同的電池組(Bx和By中SOC大的電池經(jīng)電感向SOC小的電池轉(zhuǎn)移電能，一般均衡周期為ms 數(shù)量級，均衡充電、放電時間遠小于組串的充電、放電或靜置時間，故均衡過程的電池電壓ux和uy分別近似為常數(shù)Ux和Uy。假設Bx的SOC大于By的SOC，且滿足均衡開啟條件。在此假設下進行均衡過程分析。

1.2.1 均衡放電過程分析

圖2(a)是相鄰單體/組放電回路，圖中僅開關管M1導通時電池Bx、開關管M1和電感Lxy組成均衡放電電路①；圖2(b)是首尾單體/組放電回路，圖中開關管僅M3導通時Bx、M3、D4和Lxy組成均衡放電電路②。

均衡放電時間Tdis取決于功率管導通時長，均衡放電過程的電路方程為：

式中：Ron為放電回路總電阻；idis為均衡放電電流；ux為電池Bx的電壓(近似為恒值Ux)；VD為反向恢復二極管的正向?qū)妷海籗為符號函數(shù)，對于相鄰單體S=0，對于首尾單體S=1，均衡放電電流idis為：

均衡放電電流按公式(2)規(guī)律增大，直至電池B1放電結(jié)束。電池Bx的容量減少量ΔCBx為：

電池Bx的SOC增量為容量負增量ΔCBx與額定容量CBx之比：

1.2.2 均衡充電過程分析

圖3(a)是相鄰單體/組充電回路，當M1關斷后，By、D2和Lxy組成均衡充電電路③；圖3(b)是首尾單體/組充電回路，當M3關斷后、僅令M6導通，By、M6、D5和Lxy組成均衡放電電路④。

均衡充電時間Tcha取決于二極管D5的導通時長，均衡充電過程的電路方程為：

式中：Roff為充電回路總電阻，uy為電池By的電壓(近似為恒值Uy)。

均衡充電電流ic為：

均衡充電時間Tcha約為：

均衡充電按公式(7)規(guī)律減小，直至二極管D2截止。此時，電感Lxy的磁能增量為-WL1，電池By的容量增量ΔCBy為：

電池By的SOC增量為容量負增量ΔCBy與額定容量CBy之比：

2 均衡控制策略設計

2.1 兩級模糊均衡控制策略與流程

圖4 是兩級均衡控制策略示意圖。按照兩級均衡原理，均衡控制過程需要估算各單體SOC，計算組內(nèi)全部單體均值、兩單體/組SOC均值SOC/差值ΔSOC，確定均衡閾值q和功率管控制信號占空比b。為優(yōu)化均衡效果，本文設計均衡閾值q和占空比b模糊控制器，除了組內(nèi)均衡優(yōu)先于組外均衡外的其它計算盡可能采用并行處理方式。

圖4 兩級均衡控制策略

由圖4 可設計兩級均衡的控制流程：

(1)監(jiān)測各單體的電壓和電流等，估算各單體SOC，并計算每組的SOC均值。

(2) 并行計算相鄰/首尾兩單體或兩組的SOC和ΔSOC，將其輸入均衡閾值模糊邏輯控制器，計算動態(tài)均衡閾值q。

(3)若某組內(nèi)有ΔSOC大于q，則可判定組內(nèi)ΔSOC大于q的兩相鄰/首尾單體中SOC大的單體需要向SOC小的單體轉(zhuǎn)移能量，進而確定需要選通的組內(nèi)能量傳輸路徑；將滿足選通條件的SOC和ΔSOC輸入到占空比模糊邏輯控制器，并行計算動態(tài)占空比b；不斷刷新SOC估算值，直至所有組內(nèi)兩相鄰/首尾單體的ΔSOC均不大于均衡閾值q，此時終止第一級電池組內(nèi)均衡。

(4) 若所有組內(nèi)兩單體ΔSOC均不大于q、有組間兩組ΔSOC均大于q，可判定需要選通的組間能量傳輸路徑；將滿足選通條件的和ΔSOC輸入到占空比模糊邏輯控制器，并行計算動態(tài)占空比b；并行控制所有開關管完成組間均衡充放電；不斷刷新SOC估算值，直至所有兩相鄰/首尾組的ΔSOC均不大于均衡閾值q，此時終止第二級電池組間均衡。

2.2 模糊均衡控制器的設計

使用文獻[6]的模糊均衡控制器，以SOC和ΔSOC分別作為其輸入x和y，以占空比b和均衡閾值q分別為其輸出z和w(z和w分別為解模糊器1 和解模糊器2 的輸出結(jié)果)，由模糊器、規(guī)則庫、推理機和解模糊器組成，其設計如圖5 所示。

圖5 模糊均衡控制器結(jié)構圖

模糊均衡控制器設計的關鍵在于SOC、ΔSOC、b和q的模糊化處理、模糊邏輯控制規(guī)則和解模糊器模型。

模糊邏輯控制規(guī)則參考經(jīng)驗與專家知識進行設計，如表1 所示。

表1 控制信號占空比β 的模糊邏輯控制規(guī)則庫

圖6 動態(tài)占空比b和均衡閾值q的調(diào)節(jié)模型

3 仿真實驗驗證

為快速驗證本文提出的兩級環(huán)狀均衡拓撲和模糊均衡控制策略對電路SOC一致性的改進效果，以16 單體B1～B16組串為例設計驗證方案。

在仿真模型中，隨機設置16 個電池的初始SOC依次為47%、60%、55%、54%、53%、52%、41%、56%、51%、49%、44%、45%、46%、58%、50%和57%，在初始狀態(tài)下電池組SOC的極差為19%，標準差為5.31。所選取的蓄電池額定電壓為6 V，額定容量為1.3 Ah。電感L的取值為2 mH，開關管的頻率設置為1 kHZ。

3.1 仿真實驗方案設計

為分別驗證環(huán)狀拓撲、兩級環(huán)狀拓撲和模糊均衡控制策略的均衡改進效果，設計正交仿真均衡驗證方案，如表2所示。

表2 正交均衡驗證方案

表2 所示均衡驗證方案中闡釋如下：

(1)1～16 傳統(tǒng)拓撲表示16 個單體電池串聯(lián)，無分組，無電池環(huán)路；1～16 環(huán)狀拓撲表示16 個單體電池串聯(lián)，無分組，首尾單體電池間有環(huán)路；4～4 傳統(tǒng)拓撲表示16 個單體電池串聯(lián)，分為4 組，每組4 個電池，只存在相鄰電池/電池組間的能量傳輸路徑，無電池環(huán)路；4～4 環(huán)狀拓撲表示16 個單體電池串聯(lián)，分為4 組，每組4 個電池，相鄰及首尾電池/電池組間存在能量傳輸路徑，有電池環(huán)路。

(2) 根據(jù)Buck-Boost 均衡器的原理，為使Buck-Boost 變換器工作于斷續(xù)狀態(tài)(避免電感磁耦合)，通常要求占空比小于50%，所以，一般固定b/q開關管控制信號占空比。b 取固定值40%，相鄰首尾電池間均衡閾值q取固定值0.5%，模糊b/q指控制信號按圖6 進行模糊設計。

3.2 均衡驗證結(jié)果及其分析

圖7 為傳統(tǒng)均衡拓撲(無連接電池組首尾端的環(huán)狀結(jié)構)有無分組及有無模糊均衡控制的仿真結(jié)果，圖8 為改進均衡拓撲(有連接電池組首尾端的環(huán)狀結(jié)構)有無分組及有無模糊均衡控制的仿真結(jié)果。

圖7 傳統(tǒng)電路仿真結(jié)果

圖8 改進電路仿真結(jié)果

由圖7 和圖8 提取均衡效果的評價參數(shù)，如均衡時間、極差和標準差，結(jié)果如表3 所示。

表3 各均衡方案均衡效果對比

由圖7、圖8 和表3 可見：

(1)相比1～16 傳統(tǒng)固定b/q方案，4～4 傳統(tǒng)固定b/q方案的均衡時間縮減240 s、極差減小42.8%、標準差減小52.9%，表明兩級拓撲的均衡效果均更顯著；

(2) 相比1～16 傳統(tǒng)固定b/q方案，1～16 傳統(tǒng)模糊b/q的均衡時間縮減170 s、極差減小1.79%、標準差減小2.48%，表明模糊均衡策略僅在均衡時間縮短方面效果顯著，在一致性方面有微弱改進效果，無負作用；

(3) 相比1～16 傳統(tǒng)固定b/q方案，1～16 環(huán)狀固定b/q的均衡時間縮減150 s、極差減小0.77%、標準差減小0.83%，表明環(huán)狀拓撲也僅在均衡時間縮短方面效果顯著，在一致性方面效果微弱，無負作用；

(4)相比1～16 傳統(tǒng)固定b/q方案，4～4 環(huán)狀模糊b/q的均衡時間縮減690 s、極差減小69.4%、標準差減小62.8%，表明兩級環(huán)狀模糊均衡方案在三個均衡評價參數(shù)上均衡效果最優(yōu)。

4 結(jié)論

為進一步改善傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡拓撲對電池組SOC一致性的改善效果，本文對傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡拓撲進行改進，并設計模糊均衡控制策略：

(1)對電池組串分組，將鄰組相鄰單體間Buck-Boost 均衡電路轉(zhuǎn)移到鄰組間，在首尾兩單體間和首尾兩組間分別新增H 橋式均衡電路，形成兩級環(huán)狀Buck-Boost 均衡拓撲。

(2) 設計以SOC均值和差值為輸入、占空比和SOC均衡閾值為輸出的模糊均衡控制器，建立占空比b和SOC均衡閾值的動態(tài)調(diào)節(jié)模型，提出兩級環(huán)狀拓撲的模糊均衡控制策略。

(3) 設計16 單體電池組串的正交仿真均衡驗證方案，從SOC仿真結(jié)果提取均衡時間、極差和標準差，驗證兩級拓撲、環(huán)狀拓撲和模糊均衡控制策略獨立/聯(lián)合應用時的均衡改進效果。