串联动力蓄电池充放电均衡控制研究

孟彦京， 杨 凡， 吴 辉

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

串联动力蓄电池充放电均衡控制研究

孟彦京， 杨 凡， 吴 辉

(陕西科技大学 电气与信息工程学院， 陕西 西安 710021)

动力蓄电池的实际使用寿命与理论循环寿命总是有很大的区别，为了延长动力蓄电池的使用寿命，针对现有均衡控制方案的不足，论文提出一种基于双向半桥DC/DC电路的蓄电池充放电均衡控制方案，该方案具有均衡速度快，效率高，可以有效的延长电池组的寿命等优点.在MATLAB软件上进行了仿真分析，结果证明该均衡控制方案达到了预期效果.

动力蓄电池； 充放电控制； 均衡控制

0 引言

同一规格、同一型号的电池单体串并联组成的电池组中，由于制造工艺的偏差，单体电池的容量、内阻、自放电效率等不可能完全一致[1,2]，因此单

体之间的差异总是存在的.以容量为例，电池组中流过相同的电流，相对而言，容量小的单体可接受充放电电流小，容量大的可接受充放电电流大[3,4]，因此，容量大者总是处于小电流浅充浅放，容量衰减缓慢、寿命延长，而容量小者总是处于大电流过充过放，容量衰减加快、寿命缩短，两者之间的性能参数差异越来越大，形成正反馈特性，小容量单体提前失效，组寿命缩短.因此电池组充放电过程中单体的动态均衡控制是非常重要的.

目前进行电池均衡的方法比较多，主要分为耗散型和转移型均衡控制[5-10]，其基本是以单体的电压为对象进行均衡控制的.耗散型[5,6]是对电池组中具有较高电压的单体通过均衡电阻以热的形式消耗掉多余的能量，该方法简单易于实现，但是当组中单体数目较多时，产生的热不能及时散出，组温度上升，严重时甚至会危害到人身安全，且该方法会产生较大的能量损耗，电池能量利用率低，因此一般只应用于串联电池少，需求均衡功率较小的场合.转移型均衡控制[7-9]则是利用电容、电感、变压器线圈等做为储能转移器件来实现能量均衡的.

双向无损动态均衡控制策略[7,8]利用电感作为电能转移的中间环节，实现了组内单体电压的均衡控制，但是该方法仅限于在相邻的电池单体之间进行能量传递，当电池组中串联单体较多，组中电压比较高的单体与电压低的单体电气距离较远时，能量在传递过程中必然存在较大的损耗，并且需要较长的均衡时间.能量双向转移型均衡控制[9,10]实现了不相邻单体电池之间的能量流动，但是其控制方案中用了较多的变压器，增加了其控制系统能量的成本和损耗.

针对以上均衡控制策略所存在的问题，本论文提出了一种新的针对串联动力蓄电池组中单体能量的均衡控制方案并进行了仿真研究.

1 动力蓄电池能量均衡控制方案

本设计所提出的均衡控制方案是利用双向半桥DC/DC变换器[11]来实现6节串联单体在充放电过程中能量的转移，从而使个蓄电池组中各单体的电压基本一致.

1.1 串联蓄电池能量均衡功率控制电路

因超级电容具有循环寿命可达上百万次且能够快速充放电的特点[12]，所以本文选用超级电容作为能量转移的中介.双向半桥DC/DC电路的原理图如图1所示.

图1 双向半桥DC/DC电路原理图

当VT1处于PWM控制状态，VT0关断时，最高电压单体B、开关管VT1、二极管VD0、储能电感L及超级电容C组成Buck电路；当VT0处于PWM控制状态，VT1截止时，C、L、VT0、VD1及最低电压电池B组成Boost电路.

为了实现每个电池单体都能与超级电容实现能量转移且电路中不能出现短路情况，功率开关管采用桥式连接，电路图如图2所示.

图2 串联蓄电池能量均衡 功率控制电路图

在蓄电池组充电或放电的过程中，检测到电池组中电压最高和最低的单体，利用控制驱动电路实现开关管的导通和关断，使最高电压单体给超级电容充电，当检测到超级电容的电压到达设定的最高阈值时，超级电容开始放电，把其能量传递给最低电压的单体，当超级电容电压到达设定的最低阈值时，再次由电池组中最高电压的电池单体给电容充电，这样就使得电池组中各单体的电压基本一致.

假设BAT6需要均衡时，开关管VT3、VT4、VT6、VT7闭合，VT2、VT5、VT8～15断开；假设BAT5需要均衡时，开关管VT2、VT5、VT7、VT8、VT9闭合，VT3、VT4、VT6、VT10～15断开；以此类推，假设BAT4、BAT3、BAT2、BAT1需要均衡时，开关管VT2～VT15的闭合与断开状态.

1.2 超级电容充放电电流控制电路

在串联蓄电池均衡过程中，超级电容作为能量转移的中间环节，把最高电压单体多余的电量经DC/DC电路传送给最低电压单体，此过程中，它总是处在充电或放电状态.采用电流闭环控制实现均衡过程中超级电容充电和放电电流的恒定，其控制电路如图3所示.

图3 超级电容充放电电流控制电路图

给定的超级电流的充放电电流Iset与电流传感器检测到电流的实际值Iref做差，把偏差值e送给比例积分电路进行调节，使偏差尽可能小，从而就使得超级电容充放电电流跟随给定电流值.所述超级电容的充放电电流也即图1中储能电感L上流过的电流.

在给电池组充电或汽车启动(电池组放电)时就开启能量均衡管理系统，对蓄电池组中各单体电压进行均衡控制，以使电池组在充放电末期，各单体电压能基本一致，延长蓄电池组的使用寿命.

1.3 蓄电池均衡电路参数计算

图2中的电池单体的额定电压设置为12 V，容量为105 Ah，记Qn，电池组总电压为72 V，因此选择耐压值为100 V的开关管.假设均衡电路中出现的最严重不平衡现象是，某一电池与另外5节电池的容量偏差为30%，这时该电池需要转移的容量为：

(1)

若需要系统在4小时内均衡完毕，则每小时需要均衡的容量为：

(2)

由于该均衡电路的工作模式中，只有0.5 T(T为超级电容充放电周期)的时间内最高电压的电池转移出能量，所以转移的电流为I1=2×6.562 5=13.125 A.假定超级电容的充放电周期为0.1 s，即T=0.1 s，超级电容的电压变化量设定为ΔV=9.5-5.5=4 V，根据式(3)：

(3)

得超级电容的电容值为：

(4)

因此，选择超级电容的容值为0.2 F，用4节容值为0.8 F超级电容串联得到.

按照升压电路计算储能电感[13]，输入电压为5.5～9.5 V，输出假设为12 V，负载平均电流为6.562 5 A，开关频率10 kHz；对于升压电路需要以最小电压VINmin(5.5 V)来设计电感.

占空比如为：

(5)

周期为：

(6)

则导通时间为：

ton=D×T=54.2μs

(7)

伏秒积为：

VINminton=5.5×54.2=298.1μs

(8)

取电流纹波率r=0.1，根据式(9)：

(9)

而

(10)

则电感量为：

(11)

取L=220μH，且电感电流的额定值必须不小于式(12)：

(1+r/2)×IL×110%=16.5 A

(12)

其中10%为设计余量.

2 串联蓄电池均衡控制仿真及结论

在MATLAB软件上对所提出的能量均衡控制方案进行仿真验证，仿真电路原理图如图4所示.

根据1.3节计算结果设定超级电容为0.2 F，额定电压10 V，设定最高电压阈值为9.5 V，最低电压阈值为5.5 V；储能电感为220μH.流过电感的电流为14.25 A；开关频率为fs=10 kHz.设定串联电池组中各单体电池BAT1～BAT6的初始电压分别为11 V、11.5 V、12 V、12 V、13.5 V、14 V.其控制电路图如图5所示.

图4 串联蓄电池能量均衡仿真电路原理图

图5 串联蓄电池能量均衡控制电路图

采用电流闭环控制策略实现超级电容的充放电电流恒定在14.25 A；超级电容电压值经滞环比较器比较后输出τ，以τ=2和τ=1分别表示超级电容充电和放电的状态；由Voltage Highamp;Low Distinguish函数判断出最高和最低电池单体，根据Cap Charge or Discharge Control函数判断出的需要均衡的单体并驱动相应功率开关管的导通和关断(在1.1节已给出).所设定的BAT6的电压最高和BAT1的电压最低，BAT6的放电电流经主电路中VT1、D0、L形成的Buck电路给超级电容充电，当超级电容电压上升到9.5 V时，超级电容的放电电流经L、VT0、D1形成的Boost电路对BAT1放电，当超级电容电压下降到5.5 V时，再次判断出组中的最高和最低电压的电池单体，对超级电容进行充放电，实现最高电池单体能量流向最低电池单体，使得电池组中各单体电压基本一致.BAT6、超级电容和BAT1的仿真结果如图6～8所示.

图6 BAT6的电量、电流、电压显示图

图7 超级电容的电量、电流、电压显示图

图8 BAT1的电量、电流、电压显示图

仿真结果图6～8表明，BAT6从0时刻开始放电给超级电容，在0.13 s，超级电容电压上升到9.5 V，超级电容开始放电给BAT1；在0.2 s，超级电容放电电压下降至5.5 V，由于此时BAT6的电压还是比其他电池电压高，所以BAT6继续给超级电容充电.电池组中电压最高的单体处在放电状态，电压最低的单体处在充电状态，而超级电容总是处在充放电状态；超级电容充放电电流在13.5～15 A，误差不超过0.1 A(纹波率)，仿真结果表明该均衡控制方案是可行的.

3 结论

本论文针对现有均衡控制策略所存在的问题，提出了一种基于双向半桥DC/DC电路的蓄电池充放电均衡控制方案，该均衡方案有以下几个优点：第一，该方案不仅适合单体数目较少的电池组也适合串联单体数目较多电池组中，能使最高电压单体能量直接流向最低电压单体，均衡速度快，效率高；第二，该均衡控制方案可以用于铅酸蓄电池的均衡控制，也可以用于锂离子等电池的均衡控制；第三，该控制系统在蓄电池充和放电的过程中都可以接入，这样就使得电池组中的单体电压能够基本一致，电池组寿命得到延长.在MATLAB软

件上对均衡方案进行了仿真验证，结果证明了该均衡控制方案达到了预期的效果，可以延长动力电池组的循环寿命.

[1] 王震坡,孙逢春,林 程.不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析[J].北京理工大学学报,2006,26(7):577-580.

[2] 裴 莹,王友仁,刘泽元,等.电池组均衡技术研究现状[J].电子测量技术,2015，38(8):21-24.

[3] 唐国鹏,赵光金,吴文龙.动力电池均衡控制技术研究进展[J].电源技术,2015,39(10):2 312-2 315.

[4] 孙金磊,逯仁贵,魏 国,等.串联电池组双向全桥 SOC均衡控制系统设计[J].电机与控制学报,2015,19(3):76-81.

[5] 邱斌斌，刘和平，杨金林，等.一种磷酸铁锂动力电池组主动均衡充电系统[J].电子电能新技术,2014,33(1):71-75.

[6] 张金龙.动力电池组SOC估算及均衡控制方法研究[D].天津：天津大学,2011

[7] 徐顺刚,钟其水,朱仁江.动力电池均衡充电控制策略研究[J].电机与控制学报,2012,16(2):62-65.

[8] 唐国鹏，赵光金，吴文龙.动力电池均衡控制技术研究进展[J].电源技术，2015，39(10):2 312-2 315.

[9] 姚 京,詹昌辉,韩 廷,等.车载动力锂电池组主动均衡系统设计[J].电子技术应用,2015,41(1):129-131.

[10] 吕 航,刘承志.电动汽车磷酸铁锂电池组均衡电路设计[J].电源学报,2016,14(1):95-101.

[11] 孟彦京,李肖南.复合能源双向DC/DC变换器的建模与控制策略研究[J].现代电子技术,2016,39(20):108-110.

[12] 路丹花,周雪松,杜颖颖,等.超级电容寿命影响因素的实验研究[J].客车技术与研究,2016(1):51-53.

[13] Sanjaya Maniktala,马尼克塔拉,王健强.精通开关电源设计[M].北京：人民邮电出版社,2015.

【责任编辑：陈佳】

Researchofseriespowerstoragebatterychargeanddischargeequalizationcontrol

MENG Yan-jing, YANG Fan, WU Hui

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

The actual life and theory circle life of power battery always has the very big difference.In order to prolong the service life of power storage battery,aiming at the deficiency of the existing equilibrium control scheme,the battery charging and discharging balance control scheme based on a two-way half bridge DC/DC circuit has been put forward in this paper.The great advantages of this equilibrium control scheme are balancing with fast speed,high efficiency and which can effectively prolong battery life.The scheme is simulated on the MATLAB software.The results show that the equilibrium control scheme achieves the desired effect.

power storage battery; charge and discharge control; equilibrium control

2017-06-18

国家自然科学基金项目(51577110)； 陕西科技大学博士科研启动基金项目(BJ12-30)

孟彦京(1956-)，男，陕西西安人，教授，博士，研究方向：电力电子技术与电力传动

2096-398X(2017)06-0154-05

TM571.2

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