模块化均衡拓扑及控制策略研究

刘新天，沈瑞华，郑昕昕，何耀，曾国建

（1.合肥工业大学智能制造技术研究院，安徽 合肥 230009；2.山东大学电气工程学院，山东 济南 250002）

模块化均衡拓扑及控制策略研究

刘新天1，沈瑞华2，郑昕昕1，何耀1，曾国建1

（1.合肥工业大学智能制造技术研究院，安徽 合肥 230009；2.山东大学电气工程学院，山东 济南 250002）

串联电池组的均衡能够提高电池寿命和能量利用率，基于电感的主动均衡策略具有结构简单、易于控制的优点，在工程技术中得到了广泛的应用。将基于电感的均衡电路进行模块化扩展，对多个均衡单元进行排列组合生成多种均衡电路，分析生成的模块化均衡拓扑工作原理，并对不同拓扑进行比较，研究相应的控制策略，提出一种通用的脉宽调制均衡控制方法，其实现简单、可移植性高，适用于所有基于均衡单元排列组合所得到的均衡拓扑。仿真和实验结果表明，不同的模块化均衡拓扑适用于不同的应用场合，所提出的通用均衡控制方法能够有效实现主动式均衡。

串联电池组；主动均衡；模块化；脉冲宽度调制控制

随着新能源技术的发展与应用，锂电池作为能量存储的装备，被广泛应用于电动汽车、储能电站等领域［1］。在高压场合，为达到所需的电压等级，通常将锂电池单体进行串联工作。由于制造工艺和使用时间的差异，单体电池之间也存在着差异，这就导致串联后的锂电池组受到单体电池性能的影响，在充放电过程中存在不均等现象，从而降低电池的寿命和能量利用率［2-3］，因此需要对串联电池组进行均衡控制。

电池均衡分为主动式和被动式均衡2种，其中主动式均衡通过储能元件或能量转移电路将荷电状态（state of charge，SOC）较高的电池能量释放给SOC较低的电池单体，在理想情况下能够实现无损均衡［3］。因此，研究高效、可靠的主动式均衡方案对减小能量消耗、提高电池系统能量利用率具有重要的意义。

基于电感的主动式均衡方案具有结构简单、易于控制等优点［4］，目前已得到了一定的应用。然而该方案通常采用均衡单元的串联结构，均衡速度慢。目前基于均衡单元的分层结构和多相交错结构也被陆续提出［5-6］，但缺少对于这些方案的系统比较，且没有统一的控制方案以提高模块化均衡的可移植性和可扩展性。针对上述问题，本文对基于电感均衡单元的模块化均衡拓扑进行分析与比较，并给出了通用的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）均衡控制方法。

1 模块化均衡拓扑的生成

1.1 基本均衡单元

图1给出了基于电感的基本均衡单元，L1为储能电感，U1和U2为相邻2节单体电池的电压，通常情况下，可用单体电池的电压表征其SOC［7］。

图1 基于电感的基本均衡单元Fig.1 Basic equalization unit based on inductor

当U1高于U2时，可近似认为单体电池1的SOC高于单体电池2的SOC，需要控制S1导通，单体电池1向电感L1放电，当S1关断时，由于流过L1的电流不能突变，则L1，U2和D2形成电流回路，给单体电池2充电，因此通过S1的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM），能够实现单体电池1向单体电池2的能量转移。

1.2 模块化均衡拓扑

基于电感的基本均衡单元仅能实现相邻2节单体电池的均衡，因此，通过将基本均衡单元进行排列组合，即可实现整个串联电池组的均衡。

图2给出了几种均衡单元排列组合所得到的模块化均衡拓扑。图2a所示为串联结构的均衡拓扑，由于每相邻2节电池单体都能够实现均衡，则最终整个串联电池组都能够达到均衡，由于能量两两传递，该拓扑的均衡速度较慢；图2b所示为分层结构的均衡拓扑，该拓扑的最上一层将电池组切割成2组具有同样数目的电池小组，通过基本均衡单元实现这2个小组的均衡，下层结构以此类推。分层结构能够加快均衡速度，但电池数目必须为2的幂次方，故其应用场合受到了限制。图2c所示为多相交错结构的均衡拓扑，当电池单体数量为N时，则通过基本均衡单元分别实现电池单体1电压和电池单体2～N平均电压的均衡、电池单体1～2平均电压和电池单体3～N平均电压的均衡…以此类推实现电池单体1～N-1平均电压和电池单体N电压的均衡。

图2 模块化均衡拓扑Fig.2 The modular equalization topologies

在基本均衡单元中，当某个功率管导通时，电感流过的电流与该功率管对应的电池电压有关，图2中的所有拓扑都是由基本均衡单元组合而成，因此在1个开关周期内，电流峰值表达式为

式中:T为开关周期；d为占空比；∑Ui为功率管对应的电池电压之和。

对于串联结构，∑Ui只能为电池单体的电压，而对于分层结构和多相交错结构，∑Ui可以为多个电池串联的电压。以单体电池1放电过程为例，假设单体电池2～N电压相等且小于单体电池1的电压，各基本均衡单元电感值相等，则对于串联结构，U1放电电流峰值为

对于分层结构，U1放电电流峰值为

对于多相交错结构，U1放电电流峰值为

对比式（2）～式（4）可以看出，多相交错结构的均衡电流峰值最大，相应的均衡速度也最快，串联结构的均衡电流峰值最小，相应的均衡速度也最慢。

2 均衡拓扑的控制方法

图3给出了基本均衡单元的控制方法。

图3 基本均衡单元的控制方法Fig.3 Control strategy of the equalization unit

图3a所示为闭环控制策略，d1，d2分别为S1和S2的驱动信号；ΔU为U1和U2的电压差；K为电压误差增益，其为正实数，目的是放大电压误差；误差输出信号-KΔU与图3b所示的正负三角载波进行比较，当U1大于U2时，-KΔU＜0，其不与正三角波相交，故S2始终截止，S1受PWM控制。U1和U2的电压差越大，-KΔU越小，d1的占空比越大，则U1的放电速度越快，当U1小于U2时可同理分析；图3c给出了控制流程图，当U1和U2的电压差绝对值高于一定阀值εmax时，相应的功率开关管以最大占空比工作，当U1和U2的电压差绝对值低于一定阀值εmin时，视为实现均衡，两开关都截止，当U1和U2的电压差绝对值在εmax和εmin之间时，采用闭环控制策略。

由于上述拓扑均由基本均衡单元组成，故可以通过控制每个均衡单元的均衡实现整个模块化均衡拓扑的均衡，单个均衡单元能够通过统一的控制策略实现均衡，其仍可用图3a表示，此时ΔU不再为U1和U2的电压差，其表达式为

式中:k1，k2分别为基本均衡单元2个功率管对应的串联电池数目。

3 仿真和实验验证

图4 SOC变换曲线Fig.4 Changing curves of the SOC

搭建基于Matlab/Simulink的仿真平台，采用4节单体电池进行串联，初始SOC值分别为0.6，0.65，0.67和0.7，图4给出了3种模块化均衡拓扑的SOC变化曲线。采用所提出的统一控制策略进行控制。可以看出，各种拓扑都能够有效实现均衡，均衡速度由快至慢依次为多相交错结构、分层结构和串联结构，仿真结果验证了理论分析。

图5给出了基本均衡单元中流过电感的电流，功率管开关频率为100 kHz。当对应的功率管导通时，电感电流上升，电感储能；当功率管关断时，电感释放能量，电流下降。

图5 电感电流波形Fig.5 Current waveform of the inductor

图6给出了电池组中各单体电压的分布情况。在图6a中，电压的差别较为明显，当加入均衡方案后，如图6b所示，电池电压的分布变窄，均衡方案能够有效实现电池组的均衡。

图6 电池电压分布Fig.6 The distribution of the cell voltages

表1 3种模块化均衡拓扑的性能对比Tab.1 Comparison of three modular equalization topologies

通过仿真和实验结果，给出了3种模块化均衡拓扑的性能对比，如表1所示。可以看出，多项交错结构均衡速度快，但电流应力较大，分层结构性能较为中庸，但对串联电池的数目有要求，故其应用场合受到了一定的限制。

4 结论

本文对基于基本均衡单元的模块化均衡拓扑进行分析，研究其工作原理和控制策略，并给出了适用于各种拓扑的统一控制策略，提高了均衡拓扑的可移植性和可扩展性。仿真和实验结果验证了理论分析，根据研究得到如下结论:

1）基于电感能量转移的模块化均衡拓扑均能够由基本均衡单元通过不同的排列组合方式获得，故其基本均衡原理相同，但能量转移顺序不同；

2）根据不同的能量转移顺序能够对不同均衡拓扑的均衡速度和均衡效率进行判断，不同的均衡拓扑能够适应不同的应用场合；

3）所提出的统一均衡控制策略能够实现各种结构均衡拓扑的均衡，具有可移植性和可扩展性，能够实现快速、高效均衡。

［1］桑丙玉，杨波，李官军，等.分布式发电与微电网应用的锂电池储能系统研究［J］.电力电子技术，2012，46（10）: 57-59.

［2］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）:2312-2315.

［3］夏鲲，季诺，曹斯佳.一种锂电池组均衡充电保护板设计［J］.电气传动，2010，40（12）:68-72.

［4］Gallardo-Lozano J，Romero-Cadaval E，Milanes-Montero M I，et al.A Novel Active Battery Equalization Control with On-line Unhealthy Cell Detection and Cell Change Decision［C］//Journal of Power Sources，2015:356-370.

［5］Fabien Mestrallet，Lyubomir Kerachev，Jean-christophe Crebier，et al.Multiphase Interleaved Converter for Lithium Battery Active Balancing［J］.Power Electronics，IEEE Transactions on，2014，29（6）:2874-2881.

［6］Chen H，Zhang L，Han Y.System-theoretic Analysis of a Class of Battery Equalization Systems:Mathematical Modeling and Performance Evaluation［J］.Vehicular Technology，IEEE Transactions on，2015，64（4）:1445-1457.

［7］Moura S J，Chaturvedi N A，Krsti M.Adaptive Partial Differential Equation Observer for Battery State-of-charge/Stateof-health Estimation Via an Electrochemical Model［J］.Journal of Dynamic Systems Measurement and Control，2013（1）: 11-15.

Research on the Modular Equalization Topology and Control Strategy

LIU Xintian，SHEN Ruihua，ZHENG Xinxin，HE Yao，ZENG Guojian
（1.Intelligent Manufacturing Technology Research Institute，Hefei University of Technology，Hefei 230009，Anhui，China；2.College of Electrical Engineering，Shandong University，Jinan 250002，Shandong，China）

The equalization of the cells connecting in series can improve the battery life and energy utilization. The active equalization scheme based on the energy transfer inductor has the advantages of simple structure and is easy to control.It is widely applied in the engineering practice.Modular extension of the equalization circuit based on the inductors was done.The permutation and combination of the equalization units could generate multiple kinds of equalization circuit.The working priciple of the generated equalization circuits was analyzed.The comparisons of the circuits were given and the corresponding control strategies were discussed.A general PWM control strategy was proposed，which was simple and high portability.It was applied to all the circuits generated by the equalization units. The simulation and experimental results show that different equalization has different applications.The proposed control strategy can realize active equalization effectively.

cells connecting in series；active equalization；modular；PWM control

TM615

A

10.19457/j.1001-2095.20170515

2016-05-28

修改稿日期：2016-10-22

安徽省国际合作项目（1303063010）

刘新天（1981-），男，博士，副研究员，Email:xintian.liu@rntec.net