串联锂电池组分层均衡设计

张彦会，孟祥虎，肖 婷，张 斌

(广西科技大学 a.广西汽车零部件与整车技术重点实验室；b.汽车与交通学院，广西 柳州 545006)



串联锂电池组分层均衡设计

张彦会a，孟祥虎b，肖 婷b，张 斌b

(广西科技大学 a.广西汽车零部件与整车技术重点实验室；b.汽车与交通学院，广西 柳州 545006)

针对现有电感均衡方法，只能在相邻电池间进行均衡且均衡时间较长，采用基于电感和库克电路相结合的均衡方法，设计了一种分层式的锂电池组均衡结构。该分层均衡方法能够在内层单体电池间均衡的同时，与其他层之间进行均衡，从而增多了均衡的路径，缩短了均衡时间。相关的仿真及试验结果表明：设计的分层式锂电池组均衡方法在仿真时间上比传统电感均衡减少20%，且均衡后电压分布更为集中。

锂电池组；均衡；分层电路；仿真

0 引言

目前，国内外学者对锂电池组均衡技术采用的方法大致分为能耗型均衡和非能耗型均衡[1]。能耗型均衡主要为电阻放电式均衡[1-2]，此种均衡结构简单，但它是以消耗电量、产生热量为代价换取电池组的整体均衡，均衡效率较低且热量不好控制。非能耗型均衡主要为电感式均衡、电容式均衡和变压器型均衡。电感式均衡[3-4]所需元件成本低，并且扩展方便，但传统的开关电感式电路只能在相邻的电池间进行均衡，若相邻电压差较低时，均衡效率过低。电容式均衡[5]控制简单、容易实现，但是由于电容充放电时间与电压压差有关，在压差过小时同样使得均衡时间较长，均衡效率低，同时电容器件在过热环境下存在安全问题。对于变压器型均衡电路[6]，均衡电流较大，均衡效率高，但是多绕组变压器的设计复杂、体积较大，而且需要根据不同的蓄电池单体数量改变绕组的个数，不利于拓展。另外，变压器式均衡电路普遍存在的问题是产生磁饱和现象，存在安全隐患，因此需要严格地控制时序。

综合上述均衡方法的优缺点[7-8]，本文提出一种分层电感均衡电路。首先，该均衡电路是一种分层式的结构，不仅可以在相邻的电池均衡，而且相隔的电池间也可以均衡，拓展了均衡路径；其次，在分层均衡电路的选择匹配上采用两种不同的均衡形式，可以更好地适应不同工况下的电池均衡，提高了均衡效率[9]。

1 分层电感均衡电路拓扑结构

分层电感均衡电路拓扑结构如图1所示。图1中，Q1～Q14为实现均衡控制的场效应管(metal-oxide-semiconductor filed effect transistor,MOSFET);D1～D14为续流二极管;R1～R4为防止电感磁饱和的放电电阻;L1～L10为均衡电感;C1～C3为外层均衡电容;B1、B2、R1、L1、Q1、Q2、D1、D2为一个内层结构，B3、B4、B5、B6、B7、B8也有类似结构；B1、B2、B3、B4、L5、L6、Q9、Q10、D9、D10、C1为一个外层结构，B5、B6、B7、B8也有类似结构。其基本均衡原理如下：通过脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)对场效应管的控制，完成相邻间电感的储能放能这一过程，达到电池的内层均衡；在电池两两内层均衡的同时，检测相隔电池组之间的电压压差用以判断是否需要均衡，然后进行外层均衡。

1.1 内层电路均衡分析

内层电路均衡包括电感的充电储能和电感的放电均衡两个过程，从而将电压高的电池能量转移给低电压的电池。工作原理如图2所示。

图1 分层电感均衡电路拓扑结构

图2 内层电路均衡过程分析

假设电池1的电压为VB1，电池2的电压为VB2，且VB1>VB2，流过电感的电流为i1，R0为电路等效电阻，通过PWM控制开关Q1闭合，Q2断开。此时电流流经的器件有R0、L1，电感L1储存能量，电流流向如图2a所示。由基尔霍夫电压定律得：

(1)

当开关Q1断开，Q2断开时，D2被动导通，设电压为Vf，L1、B2、R0、R2构成放电回路给电池B2进行充电，电流方向如图2b所示。同理由基尔霍夫电压定律得：

(2)

求得：

由以上式子可以看出：能量转移的时间与D2的两端电压有关，当Vf大于D2的正向导通电压时，则进行能量的转移；反之，当Vf小于D2的正向导通电压时，电流形成不了回路，完成能量转移的过程。

同理，当VB2>VB1时，能量转移是通过控制Q2来实现的，能量从VB2转移到VB1。

1.2 外层电路均衡分析

取前4节电池为例，当内层电路均衡的同时，若检测VB1+VB2>VB3+VB4，为简化分析过程，设VB1和VB2的电压误差在一定范围内不进行均衡，VB3和VB4的电压误差在一定范围内也不进行均衡，此时Q1、Q2、Q3、Q4都是断开的，近似认为VB1=VB2，类似的VB3=VB4。此时进行外层均衡，设D为PWM的占空比，Ts为MOSFET开关管周期，导通期Ton=DTS，MOSFET开关管截止期Toff=(1-D)TS，电池能量的储存和转移在两个电流环路导通、关闭时段进行，具体过程如图3所示。

(a) 能量存储过程 (b) 能量转移过程

图3 外层电路均衡工作原理

在Ton期间，由于VB1+VB2>VB3+VB4，控制Q9导通，Q10断开，此时电池B1和电池B2一起给电感L5充电，输入电流流经iL5，使电感储能，电容C1的放电电流iL6使L6储能。 在Ton段(0≤t≤Ton)，如图3a所示。

对电感L5：

VL5(t)= 2VB1，iL5(0)=I0；

(3)

(4)

对电感L6：

VL6(t)=VC1-2VB3，iL6(0)=I0，VC1(0)=2VB1+2VB3；

(5)

(6)

在Toff段( Toff≤t≤TS)，如图3b所示。PWM控制Q9断开，Q10断开，二极管D10被动导通，这时输入电流和L5的释能电流i5给C1充电，同时L6的释放存储的能量给电池B3和B4一起充电，从而完成能量的转移过程。

同理，对电感L5：VL5(t)= 2VB1-VC1，iL5(Ton)=Ip，VC1(Ton)=2VB1+2VB3；

(7)

(8)

对电感L6：

VL6(t)=-2VB3，iL6(Ton)=Ip；

(9)

(10)

电路达到稳态时，电感元件达到电量平衡，有：

iL5(t)Toff=iL6(t)Ton。

(11)

可以计算出电感L5和电感L6的平均电流：

(12)

(13)

由此可见：这个电路在Ton和Toff期间，L4和L5的电流基本上是恒定的，电容C1是能量的传递元件。

2 均衡电路主要参数设计

2.1 MOSFET开关管频率

开关频率的选择由经验公式可得：

(14)

其中：f为开关管频率；RQ为MOSFET导通时的等效内阻，RQ=20 mΩ;CQ为MOSFET导通时的电容，CQ=500 μF。得出开关管的频率f=10 kHz。

2.2 储能电感的设计

由于电感值越大，产生的电流纹波越小，但过大的时候又会使电感的响应速度变慢，本文选取在纹波电流最大的情况下计算电感的值。由经验公式可得：

(15)

其中：V为电池电压的最大值，为4 V；D为MOSFET开关管的占空比，为50%；IL为电感设计的最大均衡电流值，取2 A。计算可得L=250 μF。

2.3 能量传递电容的设计

电容在外层均衡中主要起到能量传递的作用，故在连续导通(continuous conduction mode,CCM)工作模式下对其进行设计，由经验公式可得：

(16)

其中：VO为输出电压；T为MOSFET开关管的导通周期；D为MOSFET开关管的占空比；△VO为电路纹波电压。通过计算得C=0.7 μF，又

(17)

其中：△VO为电路纹波电压；△IO为电路纹波电流；ESRmax为电容的最大等效阻抗，算出ESRmax=2 mΩ。

3 分层电感均衡电路电压的仿真

采用Matlab/Simulink对分层电感均衡电路进行建模。对于脉冲宽度调制控制部分要求场效应功率开关管轮流导通和关闭，实现能量的转移过程。为验证此种模型均衡效果的有效性，对分层电感均衡和电感均衡的均衡效果进行了仿真对比。仿真参数设置如下：单体电压电池VB1=4.000 V，VB2=3.990 V，VB3=3.980 V，VB4=3.970 V，VB5=3.960 V，VB6=3.950 V，VB7=3.994 V，VB8=3.972 V;电感值为250 μH;电容值为0.7 μF;等效阻抗ESR为0.002 Ω;方波占空比为50%;仿真时间为1.8 ms。得到仿真电压均衡波形图如图4和图5所示。

图4 8节电池分层电感电压均衡波形图 图5 8节电池传统电感电压均衡波形图

由图4和图5可知：分层电路均衡仿真大约在1.4 ms时完成，电感均衡仿真大约在1.6 ms时完成，分层电感均衡的时间优于传统电感均衡时间；从脉动波纹效果来看，分层均衡电路的电压脉动波纹比电感均衡时的小，波纹最明显的是与电压为3.972 V电池电压均衡曲线的对比；从均衡效果上看，分层均衡电路均衡电压曲线比较集中，电感电池均衡存在一定的分阶情况，说明分层均衡电路均衡效果优于电感电路。

4 试验测试

本文选取18650锂离子电池[10]进行试验测试，电池容量为2 000 mAh，标准电压为4.0 V，过充电压为4.2 V，放电截止电压为2.7 V。用到的试验设备有DP832直流电源、DS612数字示波器、万用表、均衡电路板等。2组8节电池串联在一起，1组用分层电感法进行均衡，另外1组用传统电感法进行均衡[11]。均衡依据是尽可能地使各个电池电压达到电池组的平均电压值，经计算平均电压为3.950 V。每隔10 min记录均衡过程中各个电池的电压分布情况，直至各个电池的端电压稳定在一个误差范围内，即电池电压上下波动不超过0.015 V，可认为电池组均衡结束，电池达到完全均衡，记录到达均衡截止的时间，如表1和表2所示。

表1 8节电池分层电感电压均衡试验数据

表2 8节电池传统电感电压均衡试验数据

对比表1和表2的试验数据可以得出：分层电感均衡时间为80 min，传统电感均衡时间为100 min，在时间上节省了约20%；从均衡截止的电压分布方面来看，分层电感均衡电路电池电压均衡后极限压差为0.022 V，传统电感均衡电路电池电压均衡后极限压差为0.035 V，说明分层电感电路均衡电压分布密集性优于传统电感电路均衡电压分布。

5 结论

结合了电感均衡和库克电路均衡的特点，设计了一种分层均衡电路，分析了其能量转移的工作原理后，进行仿真验证。在均衡时间方面，分层均衡电路均衡时间短于电感均衡电路。在脉动波纹方面，分层均衡电路产生的脉动波纹小于电感均衡。在均衡效果方面，分层均衡电路均衡电压曲线比电感电路均衡电压曲线密集性好，并通过试验验证了本文提出的分层均衡电路与电感均衡电路相比，可以提高均衡速度，优化均衡效果。

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广西自然科学基金项目(2011GXNSFA018033);广西重点实验室开放课题基金项目(2014KFZD02)

张彦会(1974-),男,河南南阳人,副教授,博士,主要研究方向为汽车动力学和汽车电子控制技术.

2015-04-17

1672-6871(2015)06-0035-05

TM912

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