可用于故障電池切除的電池組均衡電路

赫英歧，蔡長興，邵南淞

(1.江蘇財經職業技術學院機械電子與信息工程學院，江蘇淮安 223003；2.國網江西電力有限公司贛州供電分公司，江西贛州 341000；3.國網黑龍江省電力有限公司雙城供電公司，黑龍江哈爾濱 150100)

為滿足電池儲能系統(Battery Energy Storage System，BESS)高電壓、大容量的需求，需要將單體電池串并聯成組。制造工藝和運行工況的細微差異將導致成組電池間性能的不一致，從而影響電池組的放電容量和使用壽命，甚至會危及電池組運行的安全性。電池電壓均衡是通過特定技術手段消除電池制造工藝和運行工況不同帶來的電壓差異，以提高電池電壓一致性的單體電池電壓控制方法。

現有均衡技術大多是利用功率開關器件和儲能元件將能量轉移到需要均衡的電池，實現電池組內電壓一致的目的。根據電路連接方式和能量傳輸路徑，主動均衡架構可分成三類：相鄰單體到單體(A-C2C)，直接單體到單體(D-C2C)，單體到整體(C2P)。文獻[1]研究的A-C2C 架構成本低，均衡電路損耗小，但是均衡必須由相鄰單體電池開始，控制復雜；文獻[2]的研究表明，D-C2C 架構可實現電池間獨立均衡，整體損耗小，然而電路體積龐大，均衡系統控制復雜，且均衡只能在兩個單體電池間進行；文獻[3]研究的C2P 架構能用于單體電池獨立均衡，系統整體損耗小，控制簡單，但是電池組反復充放電，影響電池效率和健康狀態。

綜上所述，常見均衡技術因額外增加電池充放電次數，會進一步加大被均衡電池與其余電池內部參數的差異，這是不利于電池組一致性的。本文針對電池組的不一致性問題，提出了一種可用于故障電池切除的電池組在線均衡電路，與傳統的均衡電路相比，實現了電池均衡和故障電池切除的雙功能；通過搭建電池組性能測試平臺，對所提電路進行了驗證。

1 電池組不一致性

1.1 電池組成組結構分析

在實際應用中，大規模BESS 需要將大量的單體電池經串并聯成組以滿足高電壓和大容量的需求。單體電池在電壓、內阻和容量等方面的差異導致電池組內單體電池性能無法完全一致，使得電池組的可用容量和循環壽命低于組內某一單體電池。這種不一致性通常由制造工藝和運行方式兩個方面引起并且隨著循環次數的累加，串聯電池間的差異將不斷增大[4]。

1.2 電壓一致性指標

電池的端電壓是電池組運行過程中最容易獲取的狀態量，電池容量和內部參數的差異都將導致各電池端電壓的不一致，所以在電池運行過程中，通過電池電壓來判斷電池組的一致性是最簡單易行的。圖1 為5 單體串聯電池組放電時各單體電池電壓變化曲線。

圖1 電池組內單體電池電壓變化曲線

圖1可以看出，串聯電池組在整個過程中均存在單體電池電壓不一致現象，電池組中電壓偏離電池組平均電壓的電池稱為“短板電池”，圖1 中電池2 為該電池組的“短板電池”，“短板電池”的存在不僅影響了電池組的可用容量和使用壽命，甚至可能進一步發展成故障電池，危及到電池組的安全穩定運行，所以電池組需要通過電池均衡控制技術或故障電池切除技術以保證所有單體電池處在安全電壓限制范圍之內。

傳統均衡方法都是通過尋找出最大或最小電壓的電池以進行均衡。電池組放電時始終都存在最大和最小電壓電池，均衡電路因此需全時工作，這要求均衡電路具有極高可靠性。“短板電池”一般會與其余電池電壓產生較大差異，如何準確辨識出“短板電池”是電池均衡技術應用的關鍵。

電池電壓差異度是電池組內第i個電池電壓與除第i個電池之外的剩余單體電池的平均電壓的差，消除了第i個電池自身對電池組平均電壓的影響，能反映第i個電池與其余電池的電壓差異。電池電壓差異度和最大電壓差異度計算公式如下：

式中：mi為第i個電池的電壓差異度；mmax表示電池組最大電壓差異度；ui為第i個電池的電壓；為除第i個電池之外剩余單體電池的平均電壓，其計算式如下：

2 電池組在線均衡調節電路設計

現有均衡技術大多都額外增加了被均衡電池的充放電次數，加大了被均衡電池與其余電池的不一致性，并且當該被均衡電池轉變為故障電池時，無法對故障電池進行在線切除。針對現有均衡技術的局限性，本文設計的電池組均衡電路，能在不額外增加被均衡電池充放電次數的情況下，達到均衡電池電壓的效果，又能在電池出現故障時在線切除故障電池。由于實際電池儲能系統大多采用先將電池并聯成電池模組(等效于一個單體電池)，然后將電池模組串聯成電池組的結構，為了更貼近工程實際，實驗電路結構如圖2 所示。

圖2 電池組在線均衡調節電路結構

電池組處于運行時，只要檢測到電池組內電池發生故障，立即實施相應操作，切除故障電池模組，切除原理見2.1節內容。若電池組無故障電池，以并聯電池模組最大電壓差異度mmax是否大于閾值a作為充電均衡是否啟動的判斷依據，均衡電路可以控制閾值a的大小來調控均衡的效果。閾值a取值越小，均衡后電池一致性越好，電池組在線均衡調節電路工作流程圖見圖3。

圖3 電路工作流程圖

2.1 充電過程工作原理

當電池組處于充電狀態時，檢測到P2電池模組需要切除或均衡時，為不影響其余電池的正常運行，電路先將開關S23和S24閉合，再將S22斷開；然后將S34閉合，最后斷開S24，動作后的電路結構如圖4 所示，二極管D23的存在是為了防止S24閉合時P2電池模組經S23和S34形成短路而設置的反向二極管。設置D22的目的是考慮到此時P1電池模組因不一致問題而需切除，電池模組間形成短路設置的反向二極管。當電池一致性滿足要求時，需要將P2電池模組重新接入電路中，將上述過程反向處理即可。處理過程是先將S24閉合，然后將S34斷開，再將S22閉合，最后S23和S24斷開。

圖4 充電狀態操作完成后結構

2.2 放電過程工作原理介紹

當電路處于放電狀態時，檢測到P2電池模組需要切除或均衡時，只需分別將S21和S31閉合，然后將S22斷開，動作后的電路結構如圖5 所示，二極管D21設置的目的是為了防止P2電池模組經S22、S21和S31形成短路而設置的反向二極管。當電池組一致性滿足要求時，需要將P2電池模組重新接入電路中，僅需先將S22閉合，再將S21和S31斷開即可。

圖5 放電狀態操作完成后結構

本文設計的均衡電路，在充/放電時，會將“短板電池”從電池組中分離，相較于正常電池而言，減緩了“短板電池”老化速度，進而達到電池內部參數逐漸趨于一致的效果。

3 電池組在線均衡調節電路實驗

為了驗證本文設計的電池組在線均衡/故障切除電路的可行性，設計了如下實驗，實驗電池相關參數見表1，實驗實物見圖6。

表1 實驗電池基本參數

圖6 實驗實物圖

文獻[7]通過實驗證明了串聯結構是電池組電壓出現差異的主要影響因素，并聯結構更有利于并聯電池間的一致性，所以文章實驗部分采用先并聯后串聯的成組結構進行均衡實驗，P1、P2、P3是三組由3 個電池并聯組成的電池模組。為更好的體現出均衡電路的效果，本文將閾值a設為0.10 V。

當電池組處于充電狀態時，按圖3 流程，電池組在1 025 s時檢測到mmax=m2=0.104 V，所以P2模組電壓過高需要均衡，進行2.1 節中的相應操作，電池組各電池模組電壓和電流波形圖見圖7。

由圖7 可知，隨著充電時間的推移，電壓差異進一步增大，電池組在1 025 s 時將電壓明顯不一致的P2電池模組從電池組中分離出去，分離之后P1、P3電池模組并不因P2電池模組的分離而出現電壓變化，P2電池模組被旁路分離之后，電壓檢測儀器測量不到其電壓，所以P2電池模組電壓降為0。在1 890 s 時，剩余電池模組的與均衡前P2電池模組的電壓u2相等，此時將P2電池模組重新將其接入電池組中。整個均衡過程電池組的電流均未出現斷續現象，重新將P2電池模組接回電路之后，mmax降為0.006 V，P1、P2、P3電池模組電壓不一致性明顯小于均衡之前。

圖7 充電過程各電池模組電壓與總電流波形

當電池組處于放電狀態時，按圖3 流程，電池組在1 488 s時檢測到mmax=|m2|=0.104 V，所以P2電池模組在1 488 s 時電壓過低需要均衡，進行2.2 節中的相應操作，電池組各電池模組電壓和總電流波形圖見圖8。

圖8 放電過程各電池模組電壓與總電流波形

由圖8 可以看出，電池組在1 488 s 時將電壓明顯不一致的P2電池模組分離出電池組，在3 040 s 時重新將其接入電池組中。在整個控制過程中，電池組輸出電流未出現斷續的情況，所以該電路結構可以實現電池組在線均衡/切除“短板電池”的目的。P1、P3電池模組并不因P2電池模組的分離和接入而出現電壓變化，重新將P2電池模組接回電路之后，mmax降為了0.002 V，P1、P2、P3電池模組電壓變化情況基本一致，提升了電池組的一致性。

為進一步體現均衡電路的均衡效果，文章對均衡后的P1、P2、P3電池模組分別以0.4 A 的電流獨立進行恒流放電，放電結果圖見圖9。

圖9 各電池模組獨立放電電壓波形

由圖9 可以看出，均衡后的各電池模組放電電壓波形基本一致，在整個放電前期和末期差別略微明顯，中間階段沒有明顯差異，P1、P2、P3電池模組放電容量分別為1.582、1.577和1.580 Ah，說明均衡之后的各電池模組一致性的得到了明顯提升。

綜上所述，本文設計的均衡電路可實現電池組在線均衡或故障電池切除的目的，能明顯提升電池組的電壓一致性，達到了預期效果。

4 結論

在分析電池組不一致性產生的原因及影響前提下，提出了電池電壓差異度概念。設計了一種可用于切除故障電池的電池組在線均衡電路，以優化“短板電池”的工作狀態；通過搭建電池組性能測試平臺，實驗驗證了該電路結構兩項功能。