儲能電池模組雙向主動均衡系統設計

王珊珊，段續皇，任曉平，孫金磊

(1.上海船舶設備研究所，上海 200031；2.南京理工大學 自動化學院，江蘇南京 210094)

近年來，由磷酸鐵鋰電池構成的儲能系統被廣泛應用于發電、輸電、配電和用戶側等電力領域[1]。人們在享受儲能電池系統帶來的時間和空間上的能量利用便利的同時，也受到磷酸鐵鋰電池電量不均衡造成的功率和容量損失的困擾[2]。其主要原因可以歸結為兩類[3]：一類是電池生產制造過程中的一致性造成的性能差異，另一類是由于使用環境溫度造成的性能參數不一致。長期循環使用的電池組，其模組內一致性制約了電池模組的可用容量。雖然模組內的電量不均衡可以通過一些手段改善，但模組間由于缺乏能量轉移路徑而造成儲能系統整體性能衰退是限制電池儲能系統進一步推廣的重要限制因素[4]。

為了解決上述問題，對電池電量進行均衡是常用的提升電池組性能手段[5]。從能量流向角度可以分為能耗型均衡和非能耗型均衡兩類。能耗型均衡一般采用電阻作為能量泄放元件，將電池能量以熱能形式消耗，從而降低被均衡電池電量[6]。這種方法雖然結構簡單、便于控制、成本低，其缺點也很明顯，只能對電池進行放電均衡，而且產生的熱量無法及時消散將造成熱安全隱患。非能耗型均衡則是將能量從高電量單體向低電量單體轉移，保持整體電量一致，與能耗型均衡相比，減少更多能量損失，但增加了系統成本[7]。常用的拓撲結構包括開關電容結構、Buck 電路結構、Boost 電路結構、Buck-Boost 電路結構，以及基于變壓器的隔離DC-DC 變換結構等[8]。本文在調研現有儲能電池系統電池管理系統設計的基礎上，以12 單體串聯模組作為研究對象，探索模組間能量轉移電路及均衡控制方法，實現模組間能量雙向轉移，改善模組間的電量一致性，從而提升電池儲能系統整體性能。

1 儲能電池模組雙向主動均衡設計方案

為了實現電池模組之間的能量傳遞，采用雙向反激拓撲電路作為能量轉移載體，驅動、采樣和控制電路等示意圖如圖1 所示。

圖1 總電路結構

圖1 中電路所具備的功能包括：(1)電池模組端電壓采樣；(2)電池模組荷電狀態(State of Charge，SOC)估計；(3)依據SOC的均衡時間計算；(4)基于脈寬調制(Pulse Width Modulation，PWM)的開關器件驅動。

1.1 均衡主電路設計

本文以12 單體串聯構成的電池模組之間的能量轉移為例設計均衡主電路。12 節磷酸鐵鋰電池模組電壓范圍是36～44 V?？紤]到雙向均衡的快速性，主電路的最大均衡電流Imax=5 A，開關管頻率為30 kHz，均衡的額定功率Po=55 W，反激變壓器的變比n=1，按照工作在斷續模式下設計。

工作在臨界連續時，最大占空比Dmax如式(1)所示：

式中：V1、V2為兩電池組可能出現的最小電壓；VD為二極管正向導通壓降。因為其均衡的最大電流為5 A，所以在最大占空比下達到最大初級電流的電感值L如式(2)所示：

式中：Δt為一個周期內開關管開通時間；ΔI為一個周期內初級電流的變化量，這里數值上就等于最大均衡電流；f為開關管頻率。

次級電流有效值I2如式(3)所示:

根據變壓器的損耗限制面積乘積公式(4)得出變壓器磁芯面積乘積的最小值。

式中：Aw為磁芯的窗口面積；Ae為磁芯截面；ΔB為最大磁通密度擺幅，工作頻率在50 kHz 以下時，磁感應強度擺幅為0.16 T 左右是為了避免在瞬態時磁芯進入飽和；K2為系數，可取0.006；查閱手冊可得，采用EI50 磁芯AP=5.2149 cm4(帶骨架)，為了防止出現導線繞不下的情況，選取的磁芯比較大。磁芯截面積Ae=219.04 mm2；窗口面積Aw=238.08 mm2；有效體積V=21.6 cm3。

變壓器的匝數N由式(5)可得：

氣隙長度δg由式(6)可得：

式中：μ0為真空磁導率，取4π×10-7Wb/A·m。經計算δg取0.118cm。

在頻率30 kHz 下穿透深度δ 由式(7)可得：

則導線可取的最大直徑為0.883 4 mm。

變壓器初級有效電流I1由式(8)可得：

J取4 A/mm2，導體截面積2.058/4=0.514 5 mm2，選取直徑D1為0.8 mm(＜0.883 4 mm)絕緣銅導線。變壓器次級繞組導線尺寸：J取4 A/mm2，導體截面積2.02/4=0.500 mm2，選取直徑D2為0.8 mm(＜0.883 4 mm)絕緣銅導線。

在本文中，繞制的變壓器電感的計算值是149 μH，實測電感值為145.276 和144.099 μH，交流阻抗分別為513.68 和504.18 mΩ。變壓器參數的計算值與實際值之間的差值較小。

1.2 電壓采樣電路設計

電壓采樣電路的作用是將模組電壓信號轉換成單片機可以識別的信號等級。本文采用霍爾電壓傳感器實現電壓變換，其結構示意圖如圖2 所示。

圖2 霍爾電壓采樣電路

其中，宇波模塊CHV-25P 是霍爾電壓傳感器。宇波模塊需要±15 V 供電，作用是采集兩電池組的開路電壓并輸出對應的采樣電壓。宇波模塊的原邊額定電流10 mA，對應輸出額定值為25 mA。因為采用的電池組的最高電壓為44 V，所以根據原邊的額定電流可得出電阻R3 可取4.7 kΩ，此時電壓傳感器的測量范圍為0～49.5 V。因為采樣得到的電壓需要被單片機進行AD 轉換且單片機的基準電壓為5 V，所以采樣得到的電壓最高不超過5 V。根據額定的輸出電流值可以得出R6 可取200 Ω。運算放大器LM358 接成電壓跟隨器起到了高阻隔離的作用。

1.3 PWM 驅動電路設計

在本文所給出的雙向反激均衡方案中，PWM 信號由單片機產生，其功率驅動電路如圖3 所示。

圖3 驅動電路

該驅動電路可以分為三個部分：升壓電路、擴流電路和隔離電路。電容C1 是加速電容，作用是當P1 信號為高時，電路中可以快速的產生較大的電流，加快三極管Q2 導通；當P1為低電壓時，可以使三極管Q2 的基極電壓為負，加速三極管Q2 的關斷。三極管Q2、Q3 的作用是提升PWM 信號的電壓值。三極管Q1 和Q11 組成了圖騰柱式電路作用是擴流。KD106 模塊由隔離變壓器、放大器和負電源組成，不僅可以實現信號隔離，而且還能夠輸出負電壓，實現可靠關斷。電路供電為15 V，輸入是單片機5 V 的PWM 驅動信號，輸出具有帶載能力的隔離驅動信號。

1.4 單片機控制電路

本方案中的控制核心為飛思卡爾MC9S0SDZ60 單片機，其電路如圖4 所示。

圖4 單片機電路

圖4 中，U8 是有源晶振，工作頻率為2 MHz，作用是為單片機提供時鐘。P3 是單片機的燒寫口，實現程序燒寫。U7是單片機，需要5 V 供電。其中，電容C6、C9 用于低頻濾波；C5、C8 則是用來抑制高頻噪聲。PTA1 和PTA2 是采樣電壓的輸入口，完成A/D轉換；PTD0 和PTD1 是PWM 的輸出；PTB4 和PTB5 是作為I/O 口輸出高低電平，用以控制光電隔離器U6。為了實現隔離和電壓信號采集，選用光電隔離器AQW212 構成開關切換電路。

2 模組間均衡控制流程

在硬件電路的基礎上，結合采集到的電壓和所獲得的初始SOC進行模組間的能量轉移，其程序流程如圖5 所示。這里假設模組內單體具有較好的容量和電量一致性，將單體開路電壓與SOC對應關系曲線推廣到串聯電池模組和模組SOC的對應關系，以便進一步分析。

圖5 主程序流程圖

系統啟動后，首先利用單片機A/D 轉換實現電池模組電壓采集。根據模組開路電壓與SOC之間的非線性對應關系，獲取電池模組的當前狀態SOC。對比兩電池組的SOC值來判斷是否需要均衡。如果兩者相等，則不需要均衡。如果兩者不等，則需要對其進行均衡。均衡過程中采用安時積分法累積計算轉移的電量。當需要均衡的時間t1與實際均衡時間一致時均衡操作完成。

3 電池模組均衡實驗驗證

3.1 電池參數

實驗中構成串聯電池模組的電池單體如圖6 所示，其參數為：標稱電壓3.2 V，額定容量5 Ah，最大充放電電流5 A，上限截止電壓3.65 V，下限截止電壓2.5 V，內阻8 mΩ。設置初始的SOC不一致為20%，被充電電池組1的SOC為30%，放電電池組2的SOC為50%。

圖6 單體電池實物圖

3.2 均衡實驗驗證

利用所設計的均衡電路對兩個串聯電池模組進行均衡，PWM 占空比40%時開關管的GS 和DS 兩端的電壓如圖7、圖8 所示。

圖7 開關管GS端電壓

圖8 開關管DS端電壓

從圖8 中可以看出，RCD 吸收電路可有效減小變壓器線圈漏感所引起的尖峰。

為了驗證均衡后兩個電池組的電量一致性，分別對兩個電池組進行1C(5 A)恒流放電實驗，考察電池組可放出的電量。兩個電池組放電過程的電流與電量曲線如圖9 和圖10所示。

圖9 電池組1放電過程電流和電量曲線

圖10 電池組2放電過程電流和電量曲線

電池組1 放出的電量為1.77 Ah，根據長時間靜置開路電壓曲線對應關系得到電池組1的SOC為35.4%，電池組2 的實際放出電量為1.85 Ah，其對應的電池組SOC為37%?？梢钥闯鲭姵亟MSOC差值由初始的20%縮減到均衡后的1.6%，證明了所提出的均衡能量轉移系統及控制方法能夠有效提升電池組SOC一致性。

4 結論

針對目前磷酸鐵鋰電池構成的儲能電池模組，其模組間的電量不均衡導致電池儲能系統可用容量衰退的問題。本文提出了12 單體串聯電池模組間的雙向主動均衡電路及控制方法，設計了反激變換器實現雙向能量轉移。搭建了電池均衡實驗測試平臺，實驗結果表明，所提出的均衡電路可以改善電池組電量不均衡，電量不均衡從初始的20%降低到1.6%。