一種單電感雙向電池均衡電路

李小龍 徐順剛 許建平 劉倩怡

摘 要：針對傳統集中式電池均衡電路體積大、不易擴展、均衡精確度低;而分布式均衡電路存在元件多、成本高的問題，提出了一種單電感雙向電池均衡電路，該均衡電路采用Buck-Boost變換器與開關矩陣相結合的方式實現對整個電池組的均衡，通過對電感的時分復用實現對每一個電池獨立均衡控制。均衡電路中電感電流工作于斷續模式，消除了各電池之間的交叉影響。研究了該均衡電路的工作模式和控制策略，在此基礎上研制了針對4個電池單體的均衡實驗電路，均衡實驗驗證了理論分析的正確性和控制策略的有效性，同時，無論電池組在充電、放電，還是靜置狀態，該均衡器均能保證均衡精確度在20 mV以內。

關鍵詞：電池均衡;單電感;Buck-Boost;電感復用;均衡控制

中圖分類號：TM 71

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2019）04-0090-08

0 引 言

目前，能源危機與環境污染日益成為人們關注的熱點問題。在能源危機和環境保護的雙重壓力下，世界各國都在積極進行綠色能源技術開發。在各種綠色能源的開發應用中，鋰電池以其比能量高、無記憶效應、循環壽命長等優點，廣泛應用于各種儲能系統中[1-2]。但鋰電池單體電壓較低，需要將數十個甚至上百個電池單體串聯成組以實現高壓輸出。由于在制造和使用過程中各單體電池內阻、漏電流、溫度等特性的差異性，易造成電池組的不均衡現象，具體表現為使用過程中出現單體電池的過充和過放現象，并最終導致電池組性能急劇下降、循環壽命縮短[3-5]。因此，研究具有均衡速度快、效率高、體積小、擴展能力強的電池均衡電路具有重要意義。

隨著電力電子技術的發展和節能要求的提高，能量耗散型均衡方法正在逐漸淘汰，各類基于高頻開關電源技術的有源均衡電路在提高均衡能力的同時，減小了均衡損耗、降低了成本、提高了均衡速度和精確度、簡化了均衡系統結構以及增強均衡實時性和安全性[6-7]，已成為國內外研究的熱點。

根據電路結構和控制方法，有源均衡電路可分為集中式、分布式和集散式3種[2，8]。集中式均衡電路中，整個電池組共用一個或多個均衡器，具有結構簡單、成本低的優點，但由于它多以耦合電感或多繞組變壓器為均衡載體，受變壓器體積、副邊漏感及加工工藝的影響，較難實現高精確度電壓均衡、不易維護且擴展能力差[9-14]。分布式均衡電路中，每個電池單體均對應于一個均衡器并進行獨立控制，控制靈活、易擴展、易維護，但該均衡電路元器件較多，成本較高[15-18]?；陂_關矩陣的均衡電路結合了上述兩種均衡電路的優點，屬于集散式均衡電路，它的整組電池共用一個主均衡器，結構相對分布式均衡電路更簡單、體積更小、成本更低[19-22]。根據時分復用均衡控制思路，將整個均衡控制周期劃分為多個時間段，在每一個獨立時間段內，主均衡器只對一個電池單體進行均衡，因此，電池組中所有單體電池可以獨立均衡，均衡電路更易于擴展和維護[21]。文獻[19， 20]改進了飛渡電容均衡電路，但其仍未解決電池電壓相近時均衡電流小、均衡速度慢等問題。文獻[21]研究了開關矩陣與flyback相結合的均衡電路，但其僅能實現能量的單向流動，均衡速度相對較慢。文獻[22]提出了開關矩陣與變壓器相結合的均衡電路，實現了能量的雙向流動，但變壓器的采用，增大了均衡器體積，同時降低了均衡精確度。

本文針對傳統集中式電池均衡電路體積大、不易擴展，分布式均衡電路存在元件多、成本高的問題，提出將Buck-Boost變換器與開關矩陣相結合的方式實現對電池組的均衡。通過對電感的時分復用，可有效減少均衡電路元器件數量，從而降低均衡電路的體積、重量和成本，同時均衡過程中電感電流工作于斷續模式，有效消除了各電池之間的交叉影響。本文研究了該均衡電路的工作原理，并根據工作原理提出一種快速消除各電池單體電壓不一致性的均衡控制策略，最后通過四電池均衡實驗進行了驗證。

1 均衡電路拓撲

所提出的單電感雙向電池均衡電路如圖1所示，它包含電池組、開關矩陣和電荷保持器3個部分。

開關矩陣選通電池組中的一個電池單體連接到電荷保持器，在電池組的均衡過程中，電感以復用的方式對每一個電池單體進行均衡，電荷保持器有Buck模式和Boost模式兩種工作模式，并不斷在兩種工作模式間切換。為降低開關損耗，開關矩陣以低頻方式工作，根據電池電壓選通電池單體與電荷保持器連接，電荷保持器中開關管SQ1和SQ2以高頻方式工作，實現能量的轉移。

以電池單體B1、B2為例，假定均衡電路需要將電池B1中的能量轉移到電池B2，電池單體B1和電池單體B2的能量轉移路徑如圖2（a）和圖2（b）所示。

根據時分復用原理，控制器首先分別給電池B1和電池B2分配互補的時分復用脈沖SB1和SB2。在SB1為高時，如圖3中ta-tb時間段，均衡電路僅對電池B1進行均衡;同理，在tb-tc時間段，均衡電路僅對電池B2進行均衡。

ta到tb時間段：如圖3所示，在ta時刻，電池B1的均衡控制脈沖SB1輸出高電平，同時，由于電池B1電壓高于電池組平均電池電壓，電池B1所對應均衡電路工作于Boost模式，開關管S1、S2導通，電池單體B1通過S1、S2、DA、DB與電荷保持器連通，開關管SQ1關斷，SQ1的體二極管、開關管SQ2、電感L、儲能電容C1與電池B1一起構成Boost變換器，如圖2（a）所示，通過控制SQ2把電池單體B1的電荷轉移到儲能電容C1。

tb到tc時間段：如圖3所示，在tb時刻，電池B2的均衡控制脈沖SB2輸出高電平，同時，由于電池B2電壓低于電池組平均電池電壓，電池B2所對應均衡電路工作于Buck模式，開關管S2、S5、SA、SB導通，電池單體B2通過S2、S5、SA、SB與電荷保持器連通，開關管SQ2關斷，SQ2體二極管、開關管SQ1、電感L、儲能電容C1與電池B1一起構成Buck變換器，如圖2（b）所示，通過控制SQ2把儲能電容C1的電荷轉移到電池單體B2。

在均衡過程中，能量不斷從電池單體B1轉移至電容C1，再由電容C1轉移至電池單體B2，最終實現兩個電池單體的均衡。

n個電池的均衡與兩個電池均衡過程類似，首先，控制器對每個電池Bi分配互補的時分復用脈沖SBi，即對每個電池分配獨立的均衡時間段。在電池Bi對應的均衡時間段內，均衡電路僅對電池Bi進行均衡，其余電池均不參與均衡。當電池Bi電壓高于電池組平均電壓時，均衡電路工作于Boost模式，電池Bi將能量轉移至電容C1;反之，當電池Bi電壓低于電池組平均電壓時，均衡電路工作于Buck模式，電池Bi從電容C1吸收能量。

2 均衡電路工作原理

為消除均衡過程中各電池之間的交叉影響，本文僅研究電感電流工作于斷續模式（DCM）的均衡電路。下面以電池單體B1、B2的均衡過程為例，分析均衡電路的工作原理和工作模態分析。為簡化分析，作如下假設：

1）開關管為理想器件;

2）不考慮二極管管壓降;

3）一個開關周期內電容和電池端電壓恒定。

2.1 Boost工作模式

電池組平均電池電壓為

當電池Bi的電壓VBi高于電池組平均電池電壓V-Bn（下面以電池B1為例），其所對應的均衡電路工作于Boost工作模式。在此過程中，開關矩陣將電池B1與電荷保持器連接成Boost變換器，電池B1對外放電，均衡過程對應于圖3中ta-tb時間段。圖4（a）和圖4（b）分別為工作于Boost模式時，電池B1的均衡路徑及等效電路，圖5為對應的電感電流波形。

2.2 Buck工作模式

當電池Bi的電壓VBi低于電池組平均電池電壓V-Bn（以電池B2為例），其所對應的均衡電路工作于Buck工作模式。在此過程中，開關矩陣將電池B2與電荷保持器連接成Buck變換器，電池B2充電，均衡過程對應于圖3中tb-tc時間段。圖6（a）和圖6（b）分別為工作于Buck模式時，電池B2的均衡路徑及等效電路，圖7為對應的電感電流波形。由圖6和圖7可知，電感L電流為負，電池B2吸收能量。

3 均衡控制策略

由提出的電池均衡電路工作原理及分析可知，該均衡電路可工作于Buck/Boost兩種工作模式，從而實現能量在電池單體間雙向流動。根據文獻[8]的建模方法，建立如圖8所示電池均衡控制等效模型。

圖8中ic為電池組工作于充電或放電狀態時流過電池組的充放電電流，當ic>0時電池組處于充電狀態，當ic<0時電池組處于放電狀態，當ic=0時電池組處于靜置狀態。iBi為流過電池單體Bi的充放電電流。ZBi為電池Bi的特性函數，描述流過電池Bi的電流iBi與電池電壓VBi之間的函數關系。由于各電池單體的特性函數ZBi不完全相同，故充放電過程中，流過電池組電流ic會引起各電池之間的電壓差異。 在電池組的使用過程中加入電池均衡電路，可對流入各電池單體的電流iBi進行獨立調節，從而保證電池組各電池單體電壓的均衡。

本文提出的電池均衡電路工作于Buck/Boost兩種工作模式，可對任一電池Bi進行充放電控制。圖8中，Eq1i為均衡電路工作于Boost模式時，電池Bi向均衡電路放電的均衡控制函數。ie1i為此過程中流出電池的均衡放電電流，ie1i=Eq1iVBi。Eq2i為均衡電路工作于Buck模式時，均衡電路向電池Bi充電的均衡控制函數。ie2i為此過程中流入電池的均衡充電電流，ie2i=Eq2iVBi。Hi為均衡電流傳遞函數，由于開關矩陣根據分時復用原理選通電池Bi進行均衡，故 Hi=1/m，其中m為參與均衡的電池總數。

由時分復用原理知，均衡時，開關矩陣根據分時復用脈沖SBi，以固定時間Tsk將參與均衡的電池接入電荷保持器，在電池Bi均衡時間Tsk內，通過控制開關管SQ1和SQ2，實現對電池Bi的充放電控制?？紤]到均衡過程中電感電流峰值過高，易降低均衡電路及電池單體使用壽命，故選取電池Bi的均衡時間段Tsk由p個開關周期Ts構成，如圖9所示，Tsk=pTs，其中Ts為開關管SQ1和SQ2的開關周期。參數p的選取綜合考慮電感電流峰值、均衡精確度及電路損耗等因素。在Tsk不變時，減小p則Ts增大，電感電流峰值增大，從而降低均衡電路及電池單體使用壽命。增大P則Ts減小，即開關矩陣工作頻率增高，增加均衡電路損耗。

假設在Tsk時間段內電容電壓穩定，則均衡電路工作于Boost工作模態時，Tsk時間段內電感電流的平均值，即電池Bi流入均衡電路的均衡放電電流ie1i為

式中ΔVDT為電池組中電壓最高單體電池與電壓最低單體電池的電壓差，k為影響均衡速度的比例因子，VTH1、VTH2為均衡控制閥值，VTHmin為電池之間所允許的最小電壓差。2|VBi-V-Bn|≤VTHmin時，電池Bi無需均衡; VTHmin<2|VBi-V-Bn|<（VTH2-VTH1）時，電池Bi以中等速度均衡;（VTH2-VTH1）≤2|VBi-V-Bn|≤VDT時，電池Bi以最高速度，全速均衡。

4 實驗驗證

4.1 實驗參數

本文設計了一臺4個單體電池的單電感雙向電池均衡電路實驗樣機。實驗樣機如圖10所示，其主要電路參數如表1所示。

實驗時，選用4個額定電壓為3.7 V的2 Ah鋰電池，分別進行靜置均衡、充電均衡和放電均衡實驗。靜置均衡時，4個電池單體電壓分別為：3 582 mV、3 459 mV、2 967 mV、3 322 mV;充電均衡實驗時，電池組以1 A恒定電流充電至15.4 V;放電均衡實驗時，電池組接入15歐姆電阻放電至11.2 V時結束實驗。

4.2 實驗結果分析

圖11給出了靜置均衡時的關鍵波形，其中VS1為開關管S1的驅動波形，iL為電感電流，iB1為電池B1放電電流，iB3為電池B3充電電流。由VS1和iL波形可知，電感以時分復用方式工作于Boost及Buck模式，電感電流工作于斷續模式。當均衡電路工作于Boost模式時，電池B1釋放能量;當均衡電路工作于Buck模式時，電感電流為負，電池B3吸收能量，均衡電路不斷將電池B1中能量轉移至電池B3中。

圖12為靜置均衡時4個鋰電池單體的電壓變化過程，均衡器啟動前各電池單體電壓滿足：VB1>VB2>VB4>VB3。整個均衡過程可分為3個階段：1）均衡電路將電池B1中能量轉移至B3，此階段電池B2和B4不參與均衡;2）當電池B3電壓上升至與B4電壓相等時，均衡電路把電池B1的能量均分給電池B3和B4，電池B2仍然不參與均衡;3）當電池B1電壓下降至等于電池B2電壓時，電池B2也參與均衡，電感在4個電池之間時分復用，電池B1和B2共同釋放能量，電池B3和B4吸收能量，均衡電路把電池B1和B2釋放的能量轉移到電池B3和B4，當所有電池的電壓差小于20 mV時，均衡停止。

圖13（a）、圖13（b）分別為充電狀態和放電狀態時4個電池單體電壓變化過程。

由圖12和圖13可知，無論在充電、放電，還是靜置狀態，所提出的單電感雙向電池均衡電路均能快速實現各電池單體電壓均衡，且保持均衡精確度在20 mV內。

5 結 論

本文將Buck-Boost變換器與開關矩陣相結合提出了一種單電感雙向電池均衡電路，通過理論分析及實驗驗證獲得如下結論：1）該均衡電路通過復用電感實現各電池單體電壓均衡，相對于集中式和分布式均衡器，減少了電路元件，降低了均衡器體積和成本。2）通過對電感的時分復用控制可實現各電池單體電壓的獨立調節，均衡精度較高，同時電感電流工作于斷續模式，有效消除了各電池之間的交叉影響。3）實驗結果表明，本文提出的控制策略可有效消除電池的不一致性，同時其還具有控制簡單，易于實現的特點。4）本文所提均衡電路能夠實現電池單體間能量的雙向、高效、快速傳輸，非常適用于高性能、低成本電池均衡場合。

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（編輯：賈志超）