一种电动汽车串联电池组主动均衡器的设计和实现

孙金磊，逯仁贵，魏国，朱春波，武国良，徐冰亮

(1.哈尔滨工业大学 电气工程与自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001;2.黑龙江省电力科学研究院， 黑龙江哈尔滨 150030)

一种电动汽车串联电池组主动均衡器的设计和实现

孙金磊1，逯仁贵1，魏国1，朱春波1，武国良2，徐冰亮2

(1.哈尔滨工业大学 电气工程与自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001;2.黑龙江省电力科学研究院， 黑龙江哈尔滨 150030)

针对电动汽车串联电池组长期充放电引起的电池组容量不均衡、电池组整体性能下降的问题，结合开关电源和同步整流技术提出一种电池均衡拓扑和方法。根据串联电池组单体剩余电量（SOC）分布选定需要均衡的电池单体，确定所需均衡时间和均衡结束条件。分析以正激变换器为主体的均衡器工作模式，得到能量转移方程。利用同步整流技术将二极管替换为开关管来减少能量损失。对实验数据分析的结果表明：均衡器能够根据电池单体SOC确定需要均衡的单体，计算均衡时间，实现电池组内任意单体之间的能量传递。与现有方法的比较结果验证了所提出均衡拓扑的可行性和缩短均衡时间方法的有效性。

串联电池组；均衡器；非能耗型均衡；主动均衡；同步整流

0 引 言

人们对环境和能源问题的日益关注,促进了电动车的发展,商业化的追求正变为现实[1]。由于锂电池具有能量密度高，制作成本低等优点，在不久的将来很有可能取代镍氢电池广泛应用于电动汽车领域[2]。由于单体电池电压很低，而电动汽车的应用场合需要高电压，就必须将多节电池串联后使用[3]。可是当串联电池组循环充放电后，电池单体之间的不一致所带来的影响变得明显，这种不均衡将加剧过充和过放进而导致电池使用寿命降低[3-5]。因此，为了避免潜在的危险和提高电池使用寿命，有必要对电池组进行均衡操作[6-7]。目前，市场上产品普遍采用的电阻放电均衡方式虽然结构简单，价格低廉。但有限的电池能量在车辆运行过程中始终以电阻发热的形式散失，电能白白浪费的同时还造成了严重的安全隐患。针对这一问题有学者对能量转移型主动均衡展开研究，已经提出了多种均衡拓扑，比如文献[8]中，用双层开关电容来对电池进行均衡；文献[9-10]则是采用多原边变压器实现能量的传递从而实现均衡。

在借鉴现有的均衡方法基础上，考虑均衡方式对均衡时间的影响，本文提出了一种电池静态恒流均衡器。为了保证储能系统安全，整车运行时均衡器不工作。在定期维护时均衡器启动运行，对串联电池组进行维护。均衡器利用一个单向正激变压器实现能量传递，变压器输出端的反馈信号调节原边金氧半场效晶体管（metal-oxide semiconductor fi eld-effect transistor,MOSFET）驱动信号的占空比从而保持输出电流恒定。均衡器同时配有电压采集电路，获取各单体电压并根据长期静置电池开路电压同剩余电量（state of charge，SOC）的关系曲线估算各节电池SOC，开关阵列选择高容量电池和低容量电池分别接入均衡器的输入和输出端。这种均衡结构使能量传递更具针对性，缩短均衡时间。

1 均衡器的结构

本文提出的电池均衡结构如图1所示，图中均衡器利用电压采集电路获得信息，根据SOC将电池单体进行配对，较高SOC电池和较低SOC电池形成一个均衡对，12节电池串联的电池组最多可以组成6个均衡对。然后通过开关网络将一个均衡对中较高SOC电池接入均衡器的输入端，较低SOC电池接入输出端。均衡电流从高容量电池向低容量电池流动。两节电池完成均衡后，切换另一个均衡对中的两节电池继续进行均衡，直到电池组内部所有单体达到容量均衡。

图1 均衡器结构Fig.1 Structure of the proposed equalizer

2 均衡器的工作原理

均衡器的主体是能量转换部分，由DC-DC变换器实现，如图2所示。

图2 均衡器主电路Fig.2 Main circuit of the proposed equalizer

由于正激变换器结构简单，适用于低电压大电流应用，所以本文采用这种结构。变换器的输入来自每一个均衡对中高容量电池，输出为低容量电池，通过开关阵列接入，整个转换过程能量的传递都是在电池组内部进行，不需要外部电源供电。MOSFET Q的驱动信号来自集成PWM驱动控制芯片UC2525，当微控制器发出均衡启动指令后，PWM驱动控制芯片持续发出PWM驱动控制信号给功率器件，均衡主电路工作，通过输出电流反馈调节PWM信号的占空比，使输出电流恒定。恒定的电流便于SOC的估算。均衡电流由正激变换器参数决定，为了方便分析，将副边阻抗等同为一个电阻，用r表示，r包括变压器副边线圈和输出电感L以及线路的阻抗。

根据开关管的工作状态，均衡器工作在两种模式下。在均衡器开始工作前，开关阵列已经将相应电池接入。

模式1：当开关管Q导通时，模式1启动。如图3所示。较高容量电池通过变压器原边电感建立励磁电流，同时将能量传递到副边，副边储能电感积蓄能量并为电池充电，电感电流逐渐上升。MOSFET Q导通时Vorm和电感电流可根据式（1）和式（2）得到，计算结果如式（3）所示。

式中，Vorm为变压器二次侧未经过电感L的电压；假设MOSFET的导通压降为1V，Vstrong为接入的较高容量电池的电压，Np和Ns分别为原边和副边匝数，VDl为SR-Q2导通压降。

式中：L为电感;il1为模式1情况下流过电感的电流;r为线路及电池阻抗;E为容量较低电池端电压解得

式中，I10=i12(T),I10为il1初始电流值，τ=L/r，T为PWM信号的周期。

图3 模式1电路工作示意Fig.3 Operation schematic diagram of mode 1

模式2：当开关管Q关断时，模式2启动。如图4所示。在模式2中，变压器原边利用复位绕组进行磁复位。复位能量返回高容量电池。由于二次侧电感电流不能突变，二次侧的续流MOSFET SRQ1导通，电感中储藏的能量释放，给低容量电池充电。根据式(4)计算可以得出此模式下电感电流，计算结果如式(5)所示。因为正激变换器有磁复位的特点，在Nr=Np的情况下，占空比最大为0.5。

式中I20=i11(t1)为il2的初始值，ton为开关导通时间。

图4 模式2电路工作示意Fig.4 Operation schematic diagram of mode 2

为了保证充电电流的连续，所以使变换器工作在电感电流连续模式(continuous current mode,CCM)下，通过以上分析可知，在模式1中流过电感的电流是给低容量电池的充电电流，在模式2下电感释放的电流也流过低容量电池，因此可以得出结论，流过电感的电流就是均衡电流。这种均衡方法和现有方法相比，直接将能量从较高容量电池转移到容量较低电池，免去了电池之间相互转换带来的损耗，因此均衡时间将明显缩短。

3 同步整流技术的应用

本文的应用场合输入和输出电压都比较低，如果采用传统的整流二极管，最小导通压降在0.6 V左右，而输入和输出的电池电压也只有3.2 V左右。在工作过程中总有一个二极管工作，损耗巨大。如果采用同步整流技术并采用专用芯片来驱动就可以降低导通压降，从而减小损耗。实际应用中采用的驱动芯片是ST公司的STSR2正激同步整流驱动芯片，这款芯片内部集成了二次侧同步信号采集和死区设置功能，通过简单的阻容配置就可以实现两路带有死区的互补PWM信号输出。时钟同步信号CK，SR-Q1和SR-Q2的驱动信号OUTGate1，OUTGate2分别如图5所示。

图5 同步整流驱动信号波形Fig.5 Driving signal of synchronous recti fi er

4 实验结果及分析

为了验证本文提出电池均衡器的工作原理，搭建了实验平台，实验平台由12节串联电池组、供电电源、均衡主控板和CAN分析仪组成。均衡器工作频率为40 kHz，由于正激电路需要磁复位，所以最高占空比限制在45%。平台中所用电池为标称容量5 Ah，额定电压为3.2 V的国内某电池厂家生产的动力磷酸铁锂电池。均衡器采用本文提出的正激变换均衡器，对SOC差异较大的两节电池单体的均衡，通过CAN分析仪将实时采集的电池均衡信息发送到上位机进行存储和分析。针对串联电池长期充放电实验中出现的不均衡现象，在充分静置的情况下，利用之前测得的电池开路电压同SOC的关系曲线估算电池组中每一节电池的SOC，并根据SOC的差异确定均衡策略。长期充放电的12节串联电池SOC分布如表1所示。

表1 均衡前电池SOC分布情况Tab.1 The initial SOC of 12 cells

根据各节电池SOC分布，将电池组中较高和较低SOC的电池进行配对，形成均衡顺序表，如表2所示。

表2 均衡顺序Tab.2 The order of equalization

均衡结束后12节串联电池SOC分布情况如表3所示。

表3 均衡后电池SOC分布情况Tab.3 The fi nal SOC of 12 cells

均衡器主要工作波形如图6所示。

启动均衡前，首先对电池的SOC进行排序，如果最高和最低SOC电池差异在8%以上，则将这对电池序号计入待均衡序列。其余的电池也做同样的操作，均衡序列中最多可以有6对这样需要均衡的电池。启动均衡后，放电电池的SOC逐渐降低，充电电池的SOC逐渐上升。如有一方达到电池平均SOC时终止这对均衡并进入下一对均衡。当均衡序列全部完成均衡操作后，根据SOC重新产生需要均衡的序列并进行均衡。最终使电池组内所有电池SOC在均值附近。均衡器的实验曲线如图7所示。

最后，为了验证本文所提方法对均衡时间的优势，在初始SOC分布相同的情况下，利用本文所提出的均衡器进行均衡时间计算，与文献[12]方法所得到的150 min均衡时间进行对比。6节电池SOC分布如表4所示。

表4 6节电池SOC分布Tab.4 The SOC of 6 cells

图6 均衡器工作波形Fig.6 Operating waveforms of proposed equalizer

图7 同步整流驱动信号波形Fig.7 Driving signal of synchronous recti fi er

均衡器工作参数如下：低容量电池恒流充电电流为1 A，高容量电池平均放电电流为1.4 A。每个均衡周期选取SOC最高电池单体与最低电池单体进行均衡，以其中一节单体达到平均SOC为本均衡周期结束的判据。一个周期结束后进入下一均衡周期，当电池组内最高和最低SOC的差低于文献中停止均衡的最大SOC差异5.8%时视为完成所有均衡操作。对于所述的6节电池单体均衡过程中的SOC状态变化如表5所示。根据初始SOC分布状态，初始最大SOC偏差为21.3%，首次选取1号单体放电，6号单体充电，1号单体在0.2h后达到平均SOC值57.3%，第一周期均衡结束。第二周期开始时最大SOC偏差为14.3%，选取2号单体放电，5号单体充电，2号单体在0.128h后达到平均SOC值56.7%，第二周期均衡结束。第三周期开始时最大SOC偏差为7%，选取3号单体放电，4号单体充电，4号单体在充电0.065 h后达到平均SOC值56.7%。至此电池组SOC分布如表5周期3结束时所示,平均SOC为56.56%，最大SOC偏差为3%,小于5.8%.计算整个过程中的均衡时间为(0.2+0.128+0.065)h=23.5min，低于文献中所得到的150min均衡时间，能够说明本文所提出均衡结构在均衡时间上的优势。

表5 6节电池均衡状态Tab.5 The equalization state of 6 cells

5 结 语

本文针对串联电池组长期充放电出现的不均衡问题，设计了能量转移型静态电池均衡器，利用正激变换器实现高容量电池单体和低容量电池单体之间的直接能量传递，并进行了实验验证。均衡器采用电流闭环控制，恒定电流为1 A，为了减少二极管带来的损耗，加入了同步整流。最后，以一组电池为例进行了均衡实验，均衡后各单体SOC同平均SOC最大差异在5%以内。通过与现有均衡方法的比较，证明了所设计均衡器在均衡时间上的优势。因此，本文提出的电池均衡器适用于串联锂离子电池组的快速均衡方案。

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(编辑：于双)

Design and realization of active equalizer for lithium battery string

SUN Jin-lei1,LU Ren-gui1,WEI Guo1,ZHU Chun-bo1,WU Guo-liang2,XU Bing-liang2
(1.School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China 2.Heilongjiang Electric Power Research Institute,Harbin 150030，China;)

Aiming at the unbalance problem and performance degradation to series-connected battery string of electric vehicles during frequent charging and discharging,the topology with synchronous rectifi cation and equalization method were proposed.The target cells to be balanced were selected according to the state of charge(SOC),which determines the equalization time and termination condition.The energytransferequationswereobtainedbyanalyzingtheworkingconditionsoftheequalizationcircuit,which is based on forward converter.The synchronous recti fi cation technology took the place of diodes by using metal-oxide semiconductor fi eld-effect transistor(MOSFET),which decreases the loss of equalizer.The experiment results were carried out to verify the performance and strategy of the equalizer.The energy transfer from high capacity cell to low capacity cell is achieved.Compared with the current method,the equalization time is shortened using the euqlizer and strategy.

series-connected battery string;equalizer;nondissipative equalization;active equalization;synchronous recti fi cation

TM 912

A

1007–449X(2013)10–0033–06

2012–12–11

2012国家电网公司总部科技项目(黑电科信[2012]317号);国家能源应用技术研究及工程示范项目(NY20110703-1)

孙金磊(1985—),男,博士研究生,研究方向为电动汽车电池管理系统及电池均衡技术;

逯仁贵(1968—),男,博士,副教授,研究方向为智能测试与控制、电动汽车电源管理技术;

魏 国(1966—),男,博士,教授,研究方向为测控系统、多功能敏感技术、信号处理、电动汽车电源管理等技术;

朱春波(1964—),男,博士,教授,研究方向为储能系统综合测试与控制技术、无线能量传输技术;

武国良(1980—),男,博士,工程师,研究方向为电动汽车及充换电技术、储能电池、智能电网;

徐冰亮(1973—),男,博士,讲师,研究方向为电力系统、电网规划、电动汽车。

孙金磊