附带均衡电源的DC-DC均衡电路

0 引 言

锂离子电池因其优异的性能备受电动汽车青睐[1]。由于在生产以及使用过程中有所差异[2]，需要对电池组进行均衡[3]。被动均衡结构简单，而且经济、可靠，但受到多方面限制[4]。虽然主动均衡成本较高，但能最大化利用能量，是目前研究的热点[5]。利用电容或电感储能元件进行均衡，其结构比较简单，转换效率较高，且易于实现模块化[6]；但均衡速度较慢，所需元器件较多，而且很难实现跨电池均衡[7]。利用多绕组变压器，其均衡速度较快，但有较高电压电流应力，并且存在体积大、价格高、转换效率低等问题[8]。文献[9]采用单对包结构，均衡较为灵活但转换效率较低。文献[10]通过比较各种均衡方式，发现单对单均衡在很多方面都表现不错。文献[11]使用反激变换器进行均衡，灵活度较高但所需开关较多。文献[12]提出的均衡电路，能较好地减少开关元器件的使用数目，但却不够灵活。文献[13]通过部分电池放电的方法进行均衡，而文献[14]则为电池分配不同的权值进行均衡。这些方法转换效率很高，而且较为灵活，但是成本较高。

结合目前主动均衡方法的优点，本文提出一种附带均衡电源的均衡方法。运用可以多重利用的均衡电源，配合开关阵列以及双向DC-DC 变换器的优点，针对相应的控制策略进行仿真，证实该方法能够在实现灵活均衡的前提下使用较少元器件，达到较高转换效率的目的。

1 均衡电路图及其分析与评价

1.1 均衡电路图

图1为本文提出的均衡电路图，可以看到，其由储能电池组、开关阵列、双向DC-DC 变换器以及均衡电池组组成。

图1 均衡电路图
Fig.1 Equilibrium circuit diagram

均衡电源被拆分成多个均衡电池组，分别对各组储能电池进行均衡。均衡电池组所使用的单体电池与储能电池一样或相似。均衡电池组采用单节电池时，双向DC-DC 变换器中开关给定的PWM 控制信号占空比趋于非常大或非常小两个极端，故一般需要根据实际情况，采用两节及以上电池串联成为均衡电池组。

开关阵列被分为两组，第一组有N+1 个开关，其中N 为储能电池组单体电池数目。与储能电池相连时，除首末开关外，其余的开关均与电池的负极和下一节电池的正极相连。第二组有4 个开关，其中S1和S4为一组，S2和S3为另一组，均与双向DC-DC 变换器相连，控制接入的极性。在N 节电池串联的情况下，相较于传统的为每节电池配两个开关的方法，本方法可以通过4 个控制极性的开关来减少传统方法中N-1 个开关的使用数目。当串联电池数目较多时，该方法的优异性会更加明显。

图1中的双向DC-DC 变换器工作原理非常简单。当开关T1始终处于断开状态时，开关T2，二极管VD1和电感电容组成Boost 电路；同理，当开关T2始终断开时，开关T1，二极管VD2和电感电容组成Buck 电路。

1.2 工作原理分析及评价

假设储能电池组中单体电池B1的SOC 过高，此时需要将其电荷转移到均衡电池组中。使控制B1电池正负极的开关K1和K2，以及控制双向DC-DC 变换器接入极性的开关S1 与S4 闭合。双向DC-DC 变换器工作于Boost 电路模式下，B1电池的部分电荷将会被转移到均衡电池组中，如图2所示。

图2 B1电池均衡示意图
Fig.2 Schematic diagram of equalization circuit of B1 battery

当储能电池组中B2电池SOC 较低时，使控制B2电池正负极的开关K2和K3，以及控制极性的开关S2和S3闭合。双向DC-DC 变换器工作于Buck 电路模式下，电荷将通过双向DC-DC 变换器从均衡电池组转移到B1电池中，如图3所示。

图3 B2电池均衡示意图
Fig.3 Schematic diagram of equalization circuit of B2 battery

注意到对电池B1和B2进行均衡时，都用到开关K2，开关K2既可以控制电池B1的均衡，又可以控制电池B2的均衡。可以看到，该均衡电池组配合开关阵列以及双向DC-DC 变换器，在任何时刻可以很方便地对SOC 高的单体电池进行放电均衡，或者对SOC 低的单体电池进行充电均衡。

转换效率方面，目前主动均衡电路损耗公式为:

式中:P 为总损耗；Ps为开关阵列中开关损耗；Pm为均衡主器件损耗；Pe为其他损耗。

本文所使用的均衡电路，Ps为4 个开关的损耗，Pe大部分为均衡时电池内阻的损耗。相较于目前大部分均衡电路，基本可以实现损耗最小化，而且由于本文所使用的元器件数目较少，更多情况下满足:

式中，Ps0+Pe0为目前大部分均衡电路中开关损耗和其他损耗之和。

式（1）中Pm在此处为双向DC-DC 变换器的损耗，由于本文所使用的均衡电路属于单对单型，功率小，损耗也较小。相较于目前大部分均衡电路，更多情况下满足:

式中，Pm0为目前大部分均衡电路中均衡主器件损耗，由于本文所用双向DC-DC 变换器数目少，还可以使用软开关技术进一步降低损耗。

由式（2）和式（3）易知，本文提出的均衡电路理论上可以达到目前转换效率的较高水平，公式为:

2 均衡电源多重利用

图4为均衡电源在电动汽车电池组中的示意图。

图4 均衡电源在电动汽车电池组中示意图
Fig.4 Schematic diagram of equalized power supply in battery pack of electric vehicle

从图4可以看到，各储能电池组串联构成均衡电源，均衡电源通过升压变换器为电动汽车提供电量。均衡电源除了可以为电池组进行均衡外，还可以成为电动汽车备用电源，可以在任何时刻为能量母线提供电量。特别是在电动汽车处于爬坡、加速等需要大功率情形时，该备用电源的加入可以减轻储能电池组的负担，以达到延长储能电池组使用寿命的目的。若电动汽车某储能电池组因损坏退出运行时，该均衡电源还可以充分发挥其备用电源的作用，代替损坏的储能电池组，提高电动汽车运行的可靠性。由于均衡电源单体电池数目较少，不均衡度较大，可以采用文献[14]的方法进行均衡。

3 仿真结果分析

为证实所提出均衡电路的可行性，使用Matlab/Simulink 软件进行仿真。用4 节单体电池串联代替储能电池组。均衡电池组和储能电池组所用电池均采用文献[15]的参数，如表1所示。

表1 仿真电池参数
Table 1 Parameters of simulated batteries

文献[15]采用镍钴铝三元锂离子电池进行实验，发现单体电池循环寿命期间所需均衡的电荷量约为1.13 A·h。使用该电池时，考虑较为极端的情况，取电动汽车电池组循环次数为500 次，串联电池组数目为135 节，其中母线电压为500 V。此时电池组一次循环期间所需电荷约为0.31 A·h，约为单体电池容量的11.1%。考虑到锂离子电池参数服从正态分布，并且均衡电池组更多情况下是充当媒介的作用，将高SOC 的单体电池电荷转移到低SOC 电池中去，故储能电池组一次循环期间所需均衡电池组的电荷要远远小于计算值。考虑成本以及控制方面，本仿真中均衡电池组用两节串联电池代替。

本仿真4 节单体储能电池的初始SOC 分别设定为72%，70%，68%，70%，均衡电池组中单体电池SOC 均设定为70%。当单体储能电池的SOC 与平均SOC 之差达到1.5%时，启动均衡。在实际情况中为防止出现容量差异导致重复均衡的情况发生，比如低容量的单体电池在其高SOC 时进行放电均衡，但一段时间后其SOC 可能会低于平均值，此时又要进行充电均衡，这样会导致能量的浪费。故将单体电池SOC 与平均SOC 之差均衡到1%即可。均衡时互锁，即任意时刻只能有1 节电池处于均衡状态。

图5从上到下分别是储能电池组中第1、第2、第3和第4 节单体电池的SOC 变化曲线。由于电池组处于带负载状态，第2 和第4 节电池的SOC 逐渐下降，但是下降得并不多，可以忽略不计。从图5中可以看到，第1 节电池的SOC 首先在下降，处于放电均衡状态。由于设定均衡互锁，即使第三节电池需要均衡，也只能等到第1 节电池均衡结束后才能启动。经过约64 s，下降约1.3%的电荷，约为36.4 mA·h。从约64 s 后，第3节电池的SOC开始上升，处于充电均衡状态。大约到143 s时，其SOC上升约0.9%，约为25.2 mA·h。此时电池组各单体电池的SOC 已经达到设定的均衡条件，均衡完毕。当然，可以通过提高均衡电流来减少均衡时间，也可以通过减小设定的均衡阈值来使电池组单体电池更加趋近电池组平均SOC，但是这会降低电池组整体均衡转化效率。

对于均衡电池组SOC 变化情况，任取两节电池中的一节观测其SOC 变化即可，如图6所示。

由图6可知，均衡电池组中单体电池SOC 先上升约0.53%，这是因为第1 节单体电池在此刻处于放电状态。当第1 节电池均衡到设定的阈值时，停止均衡。均衡电池组获得的电荷约29.7 mA·h，随后第3 节电池启动充电均衡，均衡电池组单体电池SOC 开始下降。当第3 节电池SOC 达到均衡设定的阈值时，均衡完毕。

图5 储能电池组每个单位体电池变化曲线SOC
Fig.5 SOC changing curves of each single battery in energy storage battery pack

图6 均衡电池组单体电池SOC 变化图
Fig.6 SOC changing diagram of single battery of equilibrium battery pack

对于第1 和第3 节电池，其初始SOC 均与电池组平均SOC 相差2%。均衡后，第1 节电池的SOC 约为70.7%，第3 节电池的SOC 约为68.9%。第1 节电池将其1.3%的电荷转移给均衡电池组，随后均衡电池组再将这些电荷转移给第3 节电池。由于经过两次均衡后均衡电池组的SOC 基本保持不变，可以认为第1 节电池被转移的电荷全部转移给第3 节电池，均衡电池组在这种情况下仅仅只是充当着媒介的作用。

下面计算转换效率。假设有两节单体电池B1 和B2，若将B1电池的部分电荷转移到B2电池中，其中Ql为B1电池损失的电荷量，Qg为B2电池获得的电荷量。易知在电荷转移的层面上，转换效率为:

结合式（5），两次均衡、单体电池放电均衡以及充电均衡情况分别如表2所示。

表2 单位体电池光放电均衡情况
Table 2 Conditions of discharge equalization and charge equalization in single battery

两次均衡时，Qg为第3 节电池获得的电量，Ql为第1节电池失去的电量。放电均衡时，Qg为均衡电池组获得的电量，Ql为第1 节电池失去的电量。充电均衡时，Qg为第3 节电池获得的电量，Ql 为均衡电池组失去的电量。由于均衡电路所使用的元器件较合理，均衡转换效率能达到目前较高水平。

4 结 语

本文所提出的附带均衡电源的主动均衡电路，对于N 节电池串联的储能电池组，运用均衡电源的多重利用，能够在使用N+1+4 个开关以及一个双向DC-DC 变换器的前提下，实现任意单体电池的均衡。其中所附带的均衡电源不仅仅可以对电池组进行均衡，还可以充分发挥其备用电源的优势，延长电池组使用寿命，提高电池组运行可靠性。使用Matlab/Simulink 软件进行仿真，证实所提出电路的可行性。虽然该电路较好地同时解决了主动均衡电路中的大部分难题，但却存在同一时刻只能对一节电池进行均衡的缺点，这是未来需要研究解决的问题。