基于電感的復合型鋰電池主動均衡研究

［摘 要］ 為提高鋰電池組均衡速率，降低均衡后的電壓不一致性，提出了基于電感的復合型鋰電池主動均衡拓撲。組內使用Buck-boost電路，組間使用單電感電路，同時結合相應的主動均衡策略，在Matlab/Simulink中建立了9節串聯鋰電池組模型，對比Buck-boost、單電感電路以及復合型拓撲均衡實驗表明：復合型主動均衡拓撲有效降低了均衡時間和電壓離散度。

［關鍵詞］ 主動均衡； Buck-Boost電路； 單電感； 復合型拓撲

［中圖分類號］ TM912 ［文獻標識碼］ A

鋰電池因其高能量密度、自放電率低和對環境友好，被廣泛應用于新能源汽車以及電池儲能系統等領域[1-2]。鋰電池串聯成組后，由于電池間諸多因素存在差異，導致鋰電池組在充放電循環中單體電池間的差異不斷放大[2-5]，使得鋰電池容量、壽命減少，嚴重時造成事故，故需要對鋰電池組進行均衡處理[6]。

鋰電池主動均衡原理為能量的傳遞。故多使用電容、電感以及變壓器等電器元件。文獻[7]利用Buck-boost電路雙向轉移相鄰電池間的能量，該拓撲相對于傳統單向均衡拓撲有效提高了均衡速率，同時易于實現，但隨著均衡路徑的增長，均衡速率明顯降低。針對該問題，文獻[8]聯合雙層多電感和單電容特性，很好地提高了整體均衡速率以及均衡后的電壓一致性，但基于電容的鋰電池均衡主要依據電壓差特性，當電壓差過小，可能出現不導通甚至是誤導通的情況，具有一定的局限性[9]。文獻[10]將反激變壓器和電感結合，提高了均衡速度和效率，但依舊存在著電池組過長后變壓器成本和體積增大的問題。

為提高均衡速率，降低均衡后電壓離散程度，同時減少能量損耗，本文基于電感均衡拓撲，提出了一種將Buck-boost電路和單電感電路聯合使用的新型主動均衡拓撲，將這兩種拓撲分別置于組內和組間，同時又根據兩種拓撲結構的特點，制定了相應的均衡策略，使兩種基礎拓撲很好完成各部分的均衡。建立Simulink實驗模型，驗證了該拓撲對提高均衡速率和電壓一致性的有效性。

1 主動復合型均衡拓撲

主動均衡根據能量傳遞方式主要分為相鄰單體間、任意單體間、單體與電池組間的均衡[11]。相鄰單體間的均衡面對長線路會導致能量傳遞速率慢、損耗大等問題；任意單體間又存在著控制邏輯復雜難以實現的困難，同時線路的增長也會出現傳輸路徑單一、能量傳遞速率變慢的問題；單體與電池組間的均衡大多數利用變壓器來實現，而電池串過長會導致變壓器繞組增多、體積增大、成本增高等問題。

復合型均衡拓撲將9節鋰電池分為3個組，根據Buck-boost和單電感拓撲特點，分別置于組內和組間。該模型完成了組內電量的快速轉移，實現了組間電量的任意轉移，大大提升了均衡速率，且電壓一致性高。均衡拓撲如圖1所示。

圖1中每三個電池為一組，分別為BT1、BT2、BT3，組內每兩個電池之間由一個電感和兩個MOS管構成，單電感、開關陣列、二極管和三個電池組構成組間均衡電路。MOS開關的控制由PWM調制占空比完成。

1.1 組內Buck-boost電路

組內為Buck-boost電路，其等效電路如圖2所示。傳統Buck-boost電路隨著電池數目的增加會導致均衡速率降低，能量損耗增大等問題，本文復合型拓撲組內只有三個電池，減少了組內需要均衡的電池數目，從而提高了均衡速率。

如圖2a、2b所示，代表了組內兩種工作形式，Q1閉合，B1釋能L1儲能。Q1關斷，電感續能，L1釋能B2儲能。

1.2 組間單電感電路

組間采用單電感電路。單電感電路可以將任意電池組能量轉移到另一電池組，且由于只需要進行3個電池組間能量的傳遞，均衡路徑大大減少，降低了均衡時間以及電壓離散度。同時電感相對于電容具有更好的電壓應力，并且有效解決了變壓器體積和成本的問題。

假設BT1gt;BT2gt;BT3，組間等效電路如圖3所示。組間單電感兩端電壓波形如圖4所示。

結合圖3和圖4對電感工作原理進行分析可知，一個周期脈沖信號代表著單電感兩種工作形式。

階段1（0-TON）：圖3a為電池組BT1在正半周期向電感L傳遞能量路線圖，此時Q1，Q3閉合，電感與電池組BT1通過二極管D3形成回路。此時對電感L有：

階段2（TOFF-T）：圖3b為負半周期電感L續能向電池組BT3傳遞能量，此時Q3閉合，電感L與電池組BT3經二極管D5形成回路。此時對電感L有：

2 均衡控制策略

組內根據相鄰電池壓差均衡；組間根據各組電壓平均值差值均衡，以先組內后組間的均衡順序完成整個電池串的均衡。

第一步：設置組內、組間的均衡閾值；

第二步：測量各電池單體電壓并根據組內電池單體間差值確定需要均衡的電池，若差值超過設置值，則組內均衡開始，均衡完成后，返回第二步，直至組內單體電壓差保持在閾值以內，進行下一步；

第三步：當組內均衡完成時，計算各組間平均電壓值，并根據各組間的電壓差值，確定需要均衡的電池組，若差值超過設置值，則組間均衡開始，優先使平均電壓最大值對平均電壓最小值進行能量傳遞，均衡完成后，返回第二步，直至組間平均電壓差保持在閾值以內，進行下一步；

第四步：均衡過程結束。組內單體差閾值設置為0.01 V，組間平均電壓差閾值設置為5 mV。考慮到整體的均衡速率，相對使組內均衡閾值大一些，提高組內均衡速率，組間均衡閾值小一些，由于其本身均衡速率快，使用小閾值使其均衡效果更加精確。

均衡控制流程如圖5所示。

3 仿真分析

根據上述拓撲和策略，在Simulink中建立模型。其中鋰電池模型直接使用Simulink自帶的Battery模型，參數UN為4.2 V，最大充電電流為1 C，即為3.4 A，組間均衡由于是三個電池串聯，其UN為12.4 V，最大充電電流為2 C。分別單獨將組內和組間均衡拓撲對9節串聯電池組使用，最后使用本文復合型電路進行均衡實驗。根據式（8）可得組內組間電感值：

3.1 模型建立及參數設置

如圖6所示為組內控制模型。每三個電池構成一個電池組，電池組組內電感值為15 μH。

圖7所示為組間控制模型。根據電池組的平均電壓值，優先進行平均電壓最高和最低電池組之間的能量轉移。電池組組間電感值為17 μH。

PWM占空比均為50%，組內和組間MOS管頻率分別為40 kHz和50 kHz。

3.2 不同均衡拓撲仿真結果

將9節電池串聯，根據各組不同的平均電壓值，大致分為6種工況，本文就一種工作情況進行研究，同時對比分析三種不同拓撲的實驗結果。

各拓撲均衡時電壓分布狀況如圖8所示。由圖8可以很明顯看到9節電池分別采用三種不同均衡拓撲之后均衡效果的差異性，對比兩種單一型均衡拓撲，Buck-boost均衡速率較慢，但均衡后的電壓一致性卻比單電感電路要好。而本文復合型均衡電路則將兩種單一型均衡電路的優點相結合，既提高了均衡速率又提高了電壓一致性。同樣也可以看到復合型電路在均衡過程中優先將組內電池均衡，然后再進行組間的均衡，具有一定的層次性，并且由于組內和組間按順序進行均衡，可以避免兩者間互相干擾。

考慮到均衡拓撲實際應用中可能涉及數十甚至成百串鋰電池，故對三類均衡拓撲從元器件數量、電[LL]路控制難易程度、均衡效果、均衡速度等方面進行比較，綜合考慮性價比問題，如表2所示。

根據仿真實驗，單電感拓撲需要通過一個電感完成9節電池的均衡，均衡路徑單一，雖然對比Buck-boost拓撲有更好的均衡速度，但是隨著電池數量的增加，其控制難度將相應增大，同時其均衡效果也將更加離散。

根據各元器件單價的不同，隨著電池數量的增加，三類拓撲開關數量相差不多，而Buck-boost拓撲中，電感數量最多，故總體成本為Buck-boost拓撲gt;復合型拓撲gt;單電感拓撲；同時考慮到單電感拓撲均衡路徑單一，控制難度大，均衡效果差；Buck-boost拓撲均衡速度慢，成本最高，能量損失大。綜合考慮，復合型均衡拓撲性價比最高。

三種不同拓撲各電池初始電壓值一致，如表3所示。表4所示為實驗完成后三種拓撲分別對應的電壓值。

3.3 仿真結果分析

由仿真結果可以得到不同均衡拓撲下的均衡時間、電壓一致性，對比數據如表5所示。

1）均衡速率。圖8a傳統Buck-boost電路和圖8b單電感均衡電路完成均衡分別需要7 s和1.5 s。結合圖8c和表4分析，本文復合型均衡拓撲3組電池組在0.56 s完成組內均衡，[JY]之后在0.65 s完成組間均衡。總體均衡速率對比單一型Buck-boost和單一型單電感電路分別提高了91%和57%。

2）電壓一致性。電壓一致性代表著電壓離散程度，可根據電壓標準差比較，離散程度越低，代表電壓一致性越高，標準差越小。從表4可知，均衡完成時三種均衡拓撲各單體電池電壓，此時通過計算，便可得到三種拓撲的電壓標準差，本文復合型均衡拓撲電壓一致性對比單一型Buck-boost和單一型單電感電路分別提高了64%、87%。

由以上可知，本文復合型均衡拓撲相對于單一型均衡拓撲在均衡速率和電壓一致性方面提升顯著。

4 總結

本文介紹了以電感作為能量轉移元件的均衡電路，組內Buck-boost均衡電路的應用使得組間單電感均衡路徑變少，有效解決了單電感均衡速率過慢且均衡電壓一致性差的缺點；同時，基于單電感的任意電池組均衡，有效解決了傳統Buck-boost電路均衡速率有限和能量損耗的缺點。將Buck-boost電路傳遞速率快的特點，與單電感電路任意傳遞的特點相結合，對于各均衡拓撲合理化運用，較好發揮了各自的優勢，并彌補了其各自的薄弱處。

在理論分析的基礎上搭建了復合型、單一型Buck-boost、單一型單電感均衡拓撲，并分別對9節鋰電池進行仿真，通過對比分析三種拓撲均衡效果，驗證了復合型均衡拓撲和策略的可行性，仿真結果表明復合型主動均衡拓撲均衡速率最快，電壓一致性效果顯著。

［ 參 考 文 獻 ］

［1］ 張博，劉皓明，張金波.基于DC/DC變換器的儲能電站鋰電池快速均衡策略[J]. 電子測量技術， 2019， 42（20）： 1-5.

[2] 周英華， 蔣慶斌. 一種實用型電池均衡技術研究[J]. 電子器件， 2018， 41（01）： 145-151.

[3] 林鴻業， 康龍云， 盧楚生， 等. 基于電感儲能的新型鋰離子電池組C2C均衡電路[J]. 電力電子技術， 2020， 54（07）： 39-41.

[4] 王維強， 李文杰， 喬雪， 等. 分布式電動汽車鋰電池智能均衡系統設計[J]. 電源技術， 2019， 43（02）： 312-314.

[5] 杜海忠， 駱滔， 宋浩誼， 等. 基于電壓平衡的鋰電池主動均衡電路及策略[J]. 電氣工程學報， 2021， 16（03）： 145-151.

[6] 段周敬， 任曉明， 陳道. 軌交儲能鋰電池主被動均衡策略的研究及應用[J]. 電源技術， 2019， 43（08）： 1305-1308.

[7] 鄒大中， 陳浩舟， 李勛， 等. 基于云端充電數據的鋰電池組一致性評價方法[J]. 電網技術， 2022， 46（03）： 1049-1064.

[8] 黃永紅， 沈洋洋， 陳坤華， 等. 雙向DC/DC變換器鋰離子電池組主動均衡控制[J]. 電子器件， 2019， 42（01）： 142-146.

[9] 王亮， 張亞， 羅雙，等. 礦用單軌吊磷酸鐵鋰電池組復合式分層均衡電路[J]. 工礦自動化， 2020，46（01）： 100-104.

[10] 蔡敏怡，張娥，林靖， 等. 串聯鋰離子電池組均衡拓撲綜述[J]. 中國電機工程學報， 2021， 41（15）： 5294-5311.

[11] 巫春玲， 程琰清， 劉智軒，等. 一種改進的儲能鋰電池主動均衡拓撲研究[J]. 電子測量技術， 2021， 44（03）： 32-37.

[12] 裴世杰. 基于單體到組的鋰電池組均衡策略研究及實現[D].綿陽：西南科技大學， 2018.

Research on Active Balancing of CompositeLithium Battery Based on Inductance

TU Lingying， QIN Yu， ZHOU Yiru， LI Xi

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei Univ. of Tech.， Wuhan 430068， China）

Abstract： In order to improve the equalization rate of lithium battery pack and reduce the voltage inconsistency after equalization， this paper proposes an active balancing topology of composite lithium battery based on inductance. The Buck-boost circuit is used in the group， and the single inductor circuit is used between the groups. At the same time， combined with the corresponding active equalization strategy， a model of nine series lithium battery packs is established in Matlab/Simulink. Compared with the Buck-boost， single inductor and the composite topology equalization effect were designed in this paper. Experiments indicate that the composite active balancing topology in this paper effectively reduced equalization time and voltage dispersion.

Keywords： active balancing; Buck-boost circuit; single inductance; composite topology

［責任編校： 閆 品］

［收稿日期］ 2022-12-23

［基金項目］ 國家自然科學基金（41601399）

［第一作者］ 凃玲英（1963-）， 女， 湖北武漢人， 湖北工業大學教授， 研究方向為電子信息及嵌入式技術。

［通信作者］ 秦 宇（1997-）， 男， 湖北荊州人， 湖北工業大學碩士研究生， 研究方向為鋰電池均衡。