基于退役電池梯次利用的分組開關均衡研究

杜海明,范明杰，景志勇，申永鵬

(鄭州輕工業大學電氣信息工程學院，河南鄭州 450000)

退役鋰電池容量通常為額定容量的70%～80%，將具備良好充放電能力的電池進行篩選后，可梯次利用于電站儲能系統等領域[1]。鋰電池單體存在內阻、端電壓、容量、自放電等參數的差異性，同時電池在使用過程中不斷進行充放電循環，會持續加大電池單體間的不一致性[2]，導致電池組間“木桶效應”的發生，造成電池組的充放電容量降低、縮減電池單體壽命等問題。若直接進行使用，極有可能發生事故。因此提高電池組的一致性是解決退役電池梯次利用的關鍵因素之一。對電池單體進行均衡，可以減小電池單體之間的差異、提高電池容量、延長使用壽命，減少安全隱患。

電池均衡技術可分為被動均衡和主動均衡。被動均衡是通過在電池的兩端添加器件去消耗電池間過多的能量，達到各電池與電池之間的平衡，該方法結構簡單、成本較低，但均衡效率和能量使用率低[3]。主動均衡是以電容、電感和變壓器等元件作為能量轉移和緩沖載體，通過能量在電池間的傳遞實現均衡目的[4]。常見的主動均衡有通過電感[5]、電容[6]、變壓器[7]、橋式變換器[8-9]、Cuk[10]和Buck-Boost[11-14]等方法提高電池的一致性。

文獻[10]提出了一種雙層Cuk 斬波電路的均衡方案，解決了傳統Cuk 均衡電路中只能相鄰兩電池進行均衡的問題，但進行第二層均衡時仍存在需相鄰的電池組進行均衡的問題。在文獻[15-16]的分布式均衡電路中，每個電池單體分別對應一個均衡單元，均衡單元相互獨立工作，易于控制；但該電路器件較多、成本較高。

目前基于Buck-Boost 均衡電路的研究較為常見，其優點有結構簡單、均衡速度較快且易于模塊化等。文獻[11]通過使用基于Buck-Boost 的均衡電路實現了電池間能量的轉移。但面對電池單體較多、電池一致性較差的場合時，開關頻繁通斷增大能量的損耗，增加了均衡時間。文獻[12]針對以上問題提出了一種基于Buck-boost 的單電感雙向均衡電路，可以實現每個電池單體的獨立調節，消除電池的不一致性。在文獻[13-14]中，提出了基于Buck-Boost的準諧振自適應分組均衡電路和單電感均衡電路，其中諧振電路均衡過程對控制信號要求高，分組均衡需要基于多個變量進行，提高了電路的均衡效率，但同時也使控制過程更加復雜；單電感均衡電路具有拓撲結構簡單、均衡效率較高的優點，均衡策略采用極差法，使均衡過程簡單易控，但均衡過程中會頻繁控制多個開關，造成能量損耗、均衡速度下降等問題。

針對以上不足，本文以串聯電池組為研究對象，提出一種基于單電感的分組開關均衡電路，在電路拓撲設計上減少了開關器件數量，在均衡策略上對傳統極差法進行改進，減少均衡過程中能量傳遞所需的時間和損耗。該方案體積小、成本低，電路均衡效率高、速度快，能量傳遞過程簡單。

1 均衡拓撲結構

本文所設計的基于單電感的分組開關均衡電路拓撲如圖1 所示。

電池Bn(n為組內電池單體數量)為串聯電池組中需要進行均衡的電池單體，根據工作狀態將電路中的開關器件標記為Sa,i、Sb,i和Sg,i三組，其中開關單元由3n+1 個Mosfet 器件組成，電感L為均衡電路中的儲能單元。為防止均衡過程中可能發生的短路故障，將二極管與開關器件串聯，保障電路在均衡過程中安全運行。

通過觸發信號控制開關單元的導通和關斷，將能量從高能量電池單體傳遞到低能量電池單體中，實現電池組中任意不同兩節電池單體進行均衡，加大了電池單體間能量傳遞的自由度，同時加快了電池均衡的速度，使電池間的能量傳遞過程更簡單方便。在保證安全和穩定的前提下，當電池組中電池單體需要增加或減少時，通過增減開關器件的數量即可實現。

2 均衡原理分析與控制策略

2.1 均衡原理分析

在均衡判據選擇中，由于端電壓極化效應[17]的影響，會導致電壓變化范圍較小，而電池的荷電狀態(SOC)具有較大的差距，更能準確反映電池單體的不一致性。

當電池組中電池單體的一致性較差時，單體SOC差值較大，當該值大于設置的均衡閾值，達到均衡開啟條件時，通過開關單元和能量儲存單元實現電池間的能量傳遞。

本文提出的單體成組均衡電路通過對電池初始狀態的分析，可進行單體與單體間的能量傳遞，兩個電池單體均衡過程中會出現電池單體與電池組、電池組與電池組間的均衡。現對三種不同均衡狀態進行分析。

狀態1：電池單體與電池單體間均衡。

以電池B1為高能量單體、B2為低能量單體為例進行分析。通過控制電路向MOS 管Sg,1和Sb,1發出導通信號，開關開始導通，高能量電池單體B1釋放能量。電池B1、MOS 管Sg,1、Sb,1與電感L形成導通回路，B1向電感L 釋放能量，電感電壓開始變大，如圖2(a)所示。電感充電結束后，通過控制電路向MOS 管Sg,1和Sb,1發出關斷信號使開關關斷；向MOS 管Sa,2和Sg,3發出導通信號，并與電感L和電池單體B2形成導通回路，低能量單體吸收能量，能量向電池單體B2轉移，電感電流開始下降，電路導通圖如圖2(b)所示。

圖2 電池B1、B2能量傳遞路徑圖

狀態2：電池組與電池單體間均衡。

當均衡過程中出現兩個電池單體具有較高的一致性，兩個電池單體組成電池組后繼續均衡。該過程以電池B2、B3為高能量電池組，電池B4為低能量單體為例進行分析。

通過控制電路向MOS 管Sb,2和Sg,2發出導通信號，電池B2、B3、MOS 管Sb,2、Sg,2與電感L形成導通回路，電池單體B2、B3向電感L釋放能量，如圖3(a)所示。同理當低能量單元吸收能量時，通過控制電路向MOS 管Sb,2和Sg,2發出關斷信號使開關關斷，向MOS 管Sa,4和Sg,5發出導通信號，電池B4、MOS 管Sa,4和Sg,5與電感L形成導通回路，電感L向電池單體B4釋放能量，如圖3(b)所示。

圖3 電池B2、B3和B4能量傳遞路徑圖

狀態3：電池組與電池組間均衡。

隨著均衡過程的進行，符合一致性要求的電池單體逐漸增多，此時高能量單和低能量單元由最初的電池單體變成電池組，以第三種狀態進行均衡。以電池B1、B2為高能量電池組，電池B3、B4為低能量單體為例進行分析。

對電感L進行充電時，使MOS 管Sb,3和Sg,1導通后電池B1和B2釋放能量，如圖4(a)所示；當電感L 進行放電時，關閉MOS 管Sb,3和Sg,1后打開MOS 管Sa,3和Sg,5，電池B3和B4開始吸收能量如圖4(b)所示。

圖4 電池B1、B2和B3、B4能量傳遞路徑圖

當控制信號對開關組Sb,m觸發高電平信號時，電池處于對電感L釋放能量的過程；當控制信號對開關組Sa,m發出高電平信號時，電感L開始向電池單體釋放能量，在一個周期內通過開關器件的開通與關斷實現能量的傳遞。

2.2 均衡控制策略

基于傳統的極值均衡策略，本文提出了單體成組均衡策略，在均衡過程中將電池單體逐步成組，最終完成電池組的均衡，流程如圖5 所示。

圖5 電路均衡流程

本文選取電池SOC作為反映電池不一致性的指標，判斷電池單體間是否需要進行均衡。ΔSOCx作為反映兩個電池單體間一致性的指標，ΔSOCx越大則表明相電池單體間一致性越差，其中兩個電池單體SOC差值的最大值用ΔSOCx.max表示。將電池組中兩個單體分別標記為j和k，則ΔSOCx可表示為：

以兩個相鄰兩電池單體的SOC差值為變量，判斷電池單體是否達到成組要求，將兩相鄰電池單體分別標記為表示為p和q，其中相鄰電池單體的SOC差值可表示為：

根據均衡過程中的電池狀態可將均衡分為電池單體與電池單體均衡、電池組與電池單體均衡和電池組與電池組均衡三種形式。均衡開始時，當存在兩電池單體一致性較差時，進行單體與單體間均衡，當均衡過程中出現電池單體間具有較高一致性時，符合成組條件的電池單體組成電池組繼續進行均衡，直到滿足均衡關閉條件時均衡結束。

相比傳統極值均衡策略，電池組與電池單體均衡形式可減少均衡過程中的開關器件數量，在能量釋放和能量吸收過程中減少向開關器件發出的高電平信號。

為滿足均衡開始條件，需要設定一個均衡開啟閾值λ和單體成組條件值ε，本文中λ和ε分別取值為1%和0.5%。當ΔSOCx值大于λ 時，即達到均衡所需條件，控制電路發出信號控制開關單元的開斷，實現能量從高能量電池單體向低能量電池單體的傳遞；當ΔSOCx值小于λ 時，完成電池間能量的轉移，控制電路向開關器件發出關斷信號使開關關斷，該過程均衡結束，開始下一個均衡過程。

3 參數計算

在均衡過程中能量從高能量單元傳遞到低能量單元，假設均衡過程中高能量單元的電壓為Vh、低能量單元的電壓為Vl，與MOS 管串聯的二極管導通壓降為VD，用Vf表示均衡電路導通時的壓降，控制電路發出的PWM 信號的占空比分別為D1和D2，均衡周期為T，開關頻率為f。

圖6 為均衡過程中一個周期T內電感L的電流波形圖。在t0～t1時刻高能量單元向電感釋放能量，電感L中的電流直線上升，流過電感L的電流可表示為：

圖6 均衡過程波形圖

該過程的時間t=D1T，電感峰值電流可表示為：

t1～t2時刻電感L釋放能量，電感電流下降，到t2時刻電感L中儲存的能量降為0，t2～t3時刻保持電感中能量為0 狀態，防止電感出現磁飽和現象，t3時刻該周期均衡結束。

在一個周期T的不同時間內，電感的電流為：

在一個周期內，電感的電流工作狀態應為斷續模式，當t=T時，存在：

在均衡占空比設定上，由于均衡過程中可能存在三種均衡狀態，一個周期中高能量單元和低能量單元中的電池單體數量可能出現不同，為防止電感L出現磁飽和現象，假設均衡過程中高能量單元和低能量單元中電池單體的數量分別為y和z，則存在：

以狀態1 中的一個均衡周期為例，對均衡中的能量進行計算，如圖5 所示。在t0～t1時刻，高能量電池單體釋放的電荷量為：

高能量電池單體所釋放的能量為電感L吸收的能量與電路中損耗能量之和：

進而得到：

在t2～t3時刻，電感L轉移到低能量單元的電荷量為：

低能量電池單體所吸收的能量為電感L釋放的能量與電路中損耗能量之和：

進而得到：

因此可以得到均衡電路的均衡效率為：

電路的均衡效率可通過電池電壓、PWM 占空比、周期、電感等參數計算，也可通過均衡前后電池單體SOC值進行計算。

4 仿真驗證及分析

為驗證本文提出的均衡拓撲及均衡策略的改進效果，通過MATLAB/Simulink 搭建仿真模型，將4 節電池單體串聯成組，設置4 節電池單體B1、B2、B3和B4的SOC分別為49%、56%、43%和40%。在初始狀態，電池單體具有較差的一致性，電池組中電池單體的極差高達16%，分別用兩種均衡方法對電池組進行均衡并對均衡結果進行對比分析。將電池組分別在靜置、充電和放電三種狀態下進行均衡實驗。根據均衡電路原理，將電感設置為110 μH，均衡開啟閾值λ 和單體成組條件ε 分別為1%和0.5%，電池電壓和二極管導通電壓分別設置為3.6 和0.4 V，電路的開斷頻率為10 kHz。

靜置實驗中，得到兩種均衡方法的電池SOC變化曲線，如圖7 所示。對兩種均衡方法的均衡速度進行對比，傳統極值均衡策略完成均衡過程大約需要269 s，而本文提出的開關成組均衡策略大約在198 s時即可完成對電池組的均衡，與改進前的均衡方法相比，速度提高了大約26.4%。對兩種均衡方法的效率進行對比，通過兩種方法的均衡曲線圖，得到不同方法均衡前后的電池單體SOC值，如表1 所示。數據表明，該方法將極差從16%縮小至1%，達到一致性目標。根據式(14)對均衡效率進行計算，得到改進前和改進后的均衡效率分別為96.13%和97.02%。

表1 不同策略的均衡實驗數據 %

圖7 不同均衡策略曲線圖

在單體成組均衡過程中，均衡電路狀態發生變化。均衡過程中不同階段的均衡信息如表2 所示。在靜置均衡實驗的第一階段，電池單體B2作為高能量單元與低能量單元中的電池單體B4進行能量傳遞，此時均衡電路中高能量電池單體數量和低能量電池單體數量都為1，均衡電路的占空比為0.5。在第二階段，電池單體B3與電池單體B4達到成組要求后自動成組，單體B3與單體B4組成低能量單元后繼續與高能量電池單體B2進行均衡。此時低能量電池單體數量變為2，均衡電路的占空比為0.66。同理，在第三階段，電池單體B1與電池單體B2符合成組要求后組成高能量電池單元繼續進行均衡過程。此時高能量電池單體和低能量電池單體數量都為2，均衡電路占空比為0.5。

表2 不同階段均衡信息

隨著均衡過程的進行，均衡電路占空比會隨著高能量單體和低能量單體數量的變化而變化。均衡過程中，電路中電流的大小與放電的高能量電池單體數量和均衡電路的占空比相關，不同均衡階段的電流存在不同，在靜置實驗中三個不同階段的電流波形如圖8 所示。

圖8 不同階段均衡電流波形圖

繼續將兩種均衡方法在充電和放電狀態下進行比較。當在電池組兩端增加電源時，兩種均衡方法的充電實驗結果如圖9 所示，傳統極值均衡策略與單體成組均衡策略分別用時約為196.12 和163 s，均衡速度提高了約16.89%。圖10 為兩種均衡方法在放電狀態下的均衡結果圖，通過對比計算得到本文所提方法均衡速度大約提高11.91%。

圖9 充電狀態均衡曲線圖

圖10 放電狀態均衡曲線圖

通過對兩種動態均衡結果的分析，可以得在充放電狀態下，本文提出的均衡方法在均衡速度上快于改進前的方法。且兩種狀態都具有良好的穩定性和可靠性，均衡后電池組的一致性都有明顯提高。

綜合以上三組對比實驗和分析可以看出，相比于改進前的均衡方法，本文所提方法在均衡速度和均衡效率方面都有明顯提高。與傳統極值均衡方法相比較，本文所提出的方案減少了均衡過程中開關器件開斷所需時間和能量損耗，達到了提高均衡速度的效果，降低了均衡所需時間，同時提高了電路的均衡效率。

5 結論

本文針對退役電池梯次利用中出現的一致性較差的現象，提出了一種基于單電感的分組開關均衡電路，并基于傳統極值均衡策略提出了“單體成組”策略。通過對所提方案進行理論分析，驗證其可行性；并對所提方案進行實驗分析，結果表明，提出的均衡電路及均衡策略能夠快速實現電池間的能量傳遞，具有良好的均衡效果，提高了電池均衡的效率和速度，能夠改善電池組的不一致性問題。