基于Buck-Boost的鋰電池雙層均衡方法研究

徐元中，郭 純，吳鐵洲，付越凱

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽(yáng)能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北武漢 430068)

鋰電池作為電動(dòng)汽車(chē)的主要能量來(lái)源，由于其具有能量密度較高、自放電率低以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)而被廣泛使用[1]。退役下來(lái)的鋰電池，其性能有所下降，容量有所減少，這就要求其均衡速度要快[2]。生產(chǎn)工藝的限制和工作環(huán)境的差異，導(dǎo)致退役的鋰電池單體之間出現(xiàn)了嚴(yán)重的不一致性，進(jìn)而使得電池組壽命減少，影響電池的使用，因此需要選用合適的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行高精度的荷電狀態(tài)(SOC)估算和高效快速的電池組均衡方法，同時(shí)在均衡的過(guò)程中應(yīng)避免大電流的充放電[3]。隨著充放電次數(shù)的增加，鋰電池組之間的差異會(huì)不斷變大，這會(huì)導(dǎo)致電池組可用容量降低甚至影響使用壽命，除此以外，過(guò)充過(guò)放還可能導(dǎo)致一系列安全問(wèn)題[4-5]。均衡管理系統(tǒng)可以有效調(diào)節(jié)電池的充放電電流，從而降低退役電池組內(nèi)單體電池的不一致性，延長(zhǎng)使用壽命[6]。

目前，電池組均衡的研究主要是均衡策略和均衡拓?fù)溥@兩個(gè)方面。文獻(xiàn)[7]提出了一種基于電容的開(kāi)關(guān)陣列拓?fù)洌姵亟M通過(guò)控制并聯(lián)的開(kāi)關(guān)和電容來(lái)實(shí)現(xiàn)同時(shí)多個(gè)通路的能量傳遞，提高了均衡效率；但隨著電池?cái)?shù)量的增加，電容的投入也會(huì)更多，無(wú)疑會(huì)造成系統(tǒng)控制復(fù)雜的問(wèn)題。文獻(xiàn)[8]提出了基于雙向反激式DC-DC 變換器的均衡方法，其優(yōu)點(diǎn)是均衡效率較高，并且均衡速度較快，缺點(diǎn)是存在開(kāi)關(guān)時(shí)序復(fù)雜和磁飽和的問(wèn)題。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于多開(kāi)關(guān)電感的充放電均衡電路，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)單體電池選擇性充放電，改善了傳統(tǒng)單層均衡電路只能實(shí)現(xiàn)相鄰電池單體間均衡的問(wèn)題，但是仍存在效率低的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]提出了一種單電感雙向均衡電路，可以實(shí)現(xiàn)任意單體電池間均衡，但是當(dāng)電池?cái)?shù)量多時(shí)，均衡時(shí)間較長(zhǎng)。結(jié)合上述問(wèn)題，本文提出了一種基于Buck-Boost 電路的分組雙向均衡拓?fù)洌ㄟ^(guò)控制開(kāi)關(guān)矩陣和雙向變換器，能夠?qū)崿F(xiàn)多路徑同時(shí)均衡，減少均衡時(shí)間，提高均衡速度，滿(mǎn)足對(duì)均衡電流精確控制的要求，還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

均衡策略包括均衡變量和均衡控制方法。其中常用均衡變量有電壓、電池荷電狀態(tài)、電池的容量等。均衡控制方法常見(jiàn)的有最大值均衡法、平均值比較法和模糊控制法這3 種方法[11]。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的均衡控制算法，通過(guò)該算法不僅可以得到當(dāng)前的均衡電流，同時(shí)還可以根據(jù)模型預(yù)測(cè)得到下一時(shí)刻的均衡電流。常規(guī)的閾值法是首先選定均衡變量并設(shè)定閾值，這里選SOC作為均衡變量，當(dāng)單體電池間SOC值之差大于預(yù)先設(shè)定的閾值后開(kāi)始均衡，這種均衡策略簡(jiǎn)單而被廣泛應(yīng)用[13-14]。

綜上所述，本文提出了基于Buck-Boost 電路的分組雙向均衡拓?fù)湟约安捎昧似骄当容^法的均衡策略，可以減小電池組間的不一致性，實(shí)現(xiàn)電池組快速均衡，從而進(jìn)一步提高整個(gè)電池組的容量利用率，保障使用的安全性。

1 均衡電路及工作原理

1.1 均衡電路

為了實(shí)現(xiàn)多路徑同時(shí)均衡，提高均衡速度，本文提出了基于Buck-Boost 電路的分組雙向均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1 所示。均衡管理系統(tǒng)中包含信號(hào)采集電路、溫度檢測(cè)電路、均衡控制器、均衡電路和驅(qū)動(dòng)電路，均衡控制器根據(jù)信號(hào)采集電路得到的電池相關(guān)參數(shù)，配合所設(shè)計(jì)的均衡控制策略，對(duì)該電池組進(jìn)行均衡。

圖1 均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

單體電池用來(lái)儲(chǔ)能的意義不大，常常需要將多個(gè)單體電池串并聯(lián)來(lái)使用，傳統(tǒng)的單層均衡拓?fù)渲荒軐?shí)現(xiàn)相鄰電池間的能量傳遞，當(dāng)電池組數(shù)量龐大時(shí)，無(wú)疑會(huì)造成工作量大且效率低的問(wèn)題，因此需要將電池組進(jìn)行分組處理，將能量較高的電池組進(jìn)行多余能量的再分配。基于以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了均衡電路，如圖2 所示，該均衡電路由n個(gè)電池、2n個(gè)開(kāi)關(guān)矩陣和均衡器組成，其中均衡器用4 個(gè)二極管和4個(gè)MOSFET 管共同組成一個(gè)類(lèi)似全橋的結(jié)構(gòu)，橋中還包括一個(gè)電感和電容，該儲(chǔ)能電感主要實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)任意單體電池的能量轉(zhuǎn)移，而儲(chǔ)能電容則主要負(fù)責(zé)電池組間的能量轉(zhuǎn)移，組內(nèi)與組間的能量轉(zhuǎn)移需要通過(guò)開(kāi)關(guān)矩陣進(jìn)行控制，從而對(duì)需要均衡的電池進(jìn)行選擇。這樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)多路徑同時(shí)均衡，具有節(jié)省均衡時(shí)間、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)。

圖2 均衡電路示意圖

1.2 均衡電路工作原理

1.2.1 組內(nèi)均衡

DC-DC 變換器的工作模式包括電流連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)和電流斷續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)兩種。我們一般選用DCM 模式，因?yàn)樵诖斯ぷ髂Ｊ较驴梢允归_(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感所存儲(chǔ)的能量在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的完全轉(zhuǎn)移。開(kāi)關(guān)用PWM 信號(hào)來(lái)控制，PWM1、PWM2 用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS 管Q1、Q2，PWM3、PWM4 用來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS 管Q3、Q4，這兩組控制信號(hào)是互補(bǔ)的。

假設(shè)單體電池B1的能量高于單體電池B2，現(xiàn)在需要將電池組內(nèi)電池B1多余的能量轉(zhuǎn)移到電池B2上，其均衡原理如圖3 所示。

圖3 均衡原理圖

電池B1放電階段：首先觸發(fā)PWM1、PWM2 來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS 管Q1、Q2，將電池B1多余的能量轉(zhuǎn)移到電感上存儲(chǔ)起來(lái)，能量轉(zhuǎn)移路徑如圖3(a)所示。

電池B1上電壓的端電壓VB1和電感電流iL的關(guān)系如下：

由于其工作在DCM 模式下，在周期T內(nèi)，電感兩端的平均電壓為0，PWM 調(diào)制信號(hào)的周期T為導(dǎo)通時(shí)間ton與關(guān)斷時(shí)間toff之和。其占空比D的計(jì)算方法為：

則該回路的最大電流值iL(max)為：

放電過(guò)程中，電池B1釋放的電荷量QB1為：

電池B2充電階段：通過(guò)觸發(fā)PWM3、PWM4 來(lái)驅(qū)動(dòng)MOS 管Q3、Q4，將電感存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)移給電池B2，該能量轉(zhuǎn)移路徑如圖3(b)所示，不計(jì)能量損耗，電池B1放電階段所釋放的電荷量應(yīng)該與電池B2充電階段所獲得的電荷量相等，由此就實(shí)現(xiàn)了電池組內(nèi)的無(wú)損均衡。

1.2.2 組間均衡

以電池組1 和電池組2 為例，來(lái)說(shuō)明電池組間的能量轉(zhuǎn)移過(guò)程。假設(shè)電池組1 的能量高于電池組2，則需要將電池組1 多余的那部分能量轉(zhuǎn)移給電池組2，其組間均衡原理如圖4 所示。首先導(dǎo)通MOS 管Q1、Q2，將電池組1 的能量轉(zhuǎn)移到電感上，與此同時(shí)，電感上的能量會(huì)通過(guò)續(xù)流二極管D3、D4轉(zhuǎn)移至電容上；然后再由電容給電池組2 進(jìn)行充電，將這部分能量轉(zhuǎn)移到電池組2 中，從而實(shí)現(xiàn)高能量電池組將高出的那部分能量轉(zhuǎn)移到低能量的電池組中，達(dá)到電池組間均衡的目的。

圖4 電池組間均衡原理

2 均衡控制策略

2.1 均衡分組

進(jìn)行均衡技術(shù)研究，均衡分組和能量傳輸路徑對(duì)均衡效果存在較大的影響。本文研究的均衡電路分為組內(nèi)均衡和組間均衡，接下來(lái)從這兩方面進(jìn)行路徑的計(jì)算并進(jìn)行最優(yōu)選擇。現(xiàn)將N個(gè)不一致性較差的單體電池串聯(lián)在一起，所需的平均轉(zhuǎn)移路徑數(shù)如下：

式中：u為將能量從一個(gè)單體電池轉(zhuǎn)移到另一個(gè)單體電池所需的均衡路徑的總數(shù)；v為所有處在不均衡狀態(tài)的單體電池的數(shù)量。

組內(nèi)均衡電路可以進(jìn)行電池多對(duì)單、多對(duì)多、單對(duì)單、單對(duì)多均衡。考慮到實(shí)際運(yùn)行情況，表1 給出了該均衡電路的單體電池間能量轉(zhuǎn)移均衡路徑數(shù)及其之間位置分布的關(guān)系。

表1 組內(nèi)均衡電路單體-單體能量轉(zhuǎn)移路徑

由表1 可知，對(duì)于由N個(gè)單體電池串聯(lián)組成的電池組來(lái)說(shuō)，可能出現(xiàn)的能量轉(zhuǎn)移路徑數(shù)之和如式(7)所示：

因此，組內(nèi)均衡電路能量平均轉(zhuǎn)移路徑數(shù)如式(8)所示：

在組間均衡電路中，如果放電和充電的電池小組處于不相鄰的位置時(shí)，則需要多次周期性能量轉(zhuǎn)移，以達(dá)到最終均衡目的。組間均衡電路中能量轉(zhuǎn)移均衡路徑數(shù)與均衡電池小組的位置分布之間的關(guān)系，如表2 所示。

表2 組間均衡電路相鄰電池小組間能量轉(zhuǎn)移路徑

由表2 可知，N個(gè)串聯(lián)電池小組能量轉(zhuǎn)移路徑數(shù)之和如式(9)所示：

因此，相鄰電池小組間，能量轉(zhuǎn)移路徑的平均數(shù)如式(10)所示：

根據(jù)公式(8)可得，組內(nèi)均衡電路能量轉(zhuǎn)移路徑的平均數(shù)為1，不會(huì)隨著串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量增加而增加。因此，當(dāng)串聯(lián)單體電池?cái)?shù)目較多時(shí)，本文所設(shè)計(jì)的分組均衡電路具有明顯的速度優(yōu)勢(shì)。

2.2 均衡控制策略

根據(jù)上述均衡分組情況制定相應(yīng)的均衡策略，以單體電池SOC作為均衡變量，采用平均值差值比較法的均衡策略，其均衡流程如圖5 所示。

圖5 均衡流程示意圖

均衡控制方法具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)利用電流傳感器、電壓傳感器和溫度傳感器對(duì)電池組電流、電壓、溫度等參數(shù)進(jìn)行采集；

(2)電池組進(jìn)行分層分組，并設(shè)置均衡閾值，采用卡爾曼濾波算法對(duì)鋰離子單體電池SOC和電池組平均荷電狀態(tài)SOCave進(jìn)行估算。

(3)首先進(jìn)行組內(nèi)均衡。檢測(cè)得到單體電池SOC的值與電池組SOCave的差值大于閾值時(shí)，需要控制導(dǎo)通相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，對(duì)其進(jìn)行組內(nèi)均衡。當(dāng)電池組內(nèi)各單體電池的SOC與電池組SOCave的差值在閾值范圍內(nèi)，則判斷組內(nèi)均衡結(jié)束。

當(dāng)組內(nèi)均衡完成后，再組間均衡。通過(guò)檢測(cè)得到由多個(gè)單體電池組成的子均衡模塊的平均荷電狀態(tài)作為該均衡模塊的SOC，通過(guò)比較各子模塊的SOC與整個(gè)電池組平均荷電狀態(tài)SOCave，當(dāng)其差值高于閾值時(shí)，需要控制導(dǎo)通相對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)，對(duì)其進(jìn)行組間均衡。如此做周期性均衡，直到子模塊的SOC與整個(gè)電池組平均荷電狀態(tài)SOCave的差值小于閾值，則判斷組間均衡結(jié)束。

3 均衡仿真與分析

3.1 電池組均衡實(shí)驗(yàn)

基于MATLAB/Simulink 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，根據(jù)上述均衡拓?fù)浜途獠呗裕? 節(jié)單體電池進(jìn)行均衡，構(gòu)建電路仿真模型，如圖6 所示。其中，電池模型為MATLAB/Simulink 提供的Battery 模型，其電池參數(shù)標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V，上限截止電壓為4.2 V，額定容量為3 300 mAh。電路中其他參數(shù)如下：電感為20μH；電容為30 μF；MOS 管的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為600 kHz；二極管的導(dǎo)通壓降設(shè)為0.8 V。

圖6 仿真電路模型

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)本文所提出的均衡拓?fù)渑c傳統(tǒng)基于Buck-Boost 的均衡拓?fù)洌M(jìn)行均衡仿真實(shí)驗(yàn)。電池SOC初值設(shè)定如下：電池B1為79%，B2為74%，B3為70%，B4為64%。電池組均衡過(guò)程中，各單體電池SOC值的變化如圖7 所示，可以看到，該電池組在75.96 s 時(shí)，4個(gè)電池SOC的變化幅度相對(duì)平穩(wěn)且基本重合，即已達(dá)到均衡，此時(shí)電池組各單體電池SOC的值都為68.63%。

圖7 采用本文均衡方法的實(shí)驗(yàn)圖

根據(jù)本文提出的均衡拓?fù)浣Y(jié)合均衡策略進(jìn)行均衡仿真實(shí)驗(yàn)。所用的電池電荷量初始完全一模一樣，各單體電池SOC在均衡過(guò)程中的變化如圖8 所示，可以看到，該電池組在197.8 s 時(shí)，4 個(gè)電池SOC的變化幅度相對(duì)平穩(wěn)且基本趨向一致，此時(shí)已經(jīng)達(dá)到均衡，并且電池組各單體電池SOC的值都為67.52%。

圖8 傳統(tǒng)單層均衡方法實(shí)驗(yàn)圖

選用傳統(tǒng)Buck-Boost 均衡拓?fù)洳捎猛环N均衡策略，會(huì)使均衡速度有所不同，根據(jù)上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到，采用本文提出的均衡拓?fù)鋪?lái)均衡，所用時(shí)間比傳統(tǒng)均衡拓?fù)渌脮r(shí)間快了大約100 s，均衡時(shí)間大幅減少，并且電池組SOC最后穩(wěn)定在68.63%，而應(yīng)用傳統(tǒng)拓?fù)湓诰膺^(guò)后電池組SOC為67.52%，因此在均衡效率方面也有所提高。

4 結(jié)論

本文為解決均衡速度慢、均衡效率低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種均衡拓?fù)浜拖鄳?yīng)的均衡控制策略，該均衡拓?fù)淠芰哭D(zhuǎn)移路徑不會(huì)隨著電池組數(shù)量的增加而增加，并且可以?xún)?yōu)先規(guī)劃均衡路徑，兩者結(jié)合起來(lái)得到雙贏(yíng)的效果。同時(shí)采用傳統(tǒng)基于電感的均衡拓?fù)鋪?lái)做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，本文提出的均衡拓?fù)淇梢悦黠@縮短均衡時(shí)間，提高均衡速度，同時(shí)均衡效率也得到了提高。