基于Buck-Boost电路的能量转移型均衡方案

刘征宇，孙庆，马亚东，汤伟，王雪松

(1.合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009；2.安全关键工业测控技术教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

基于Buck-Boost电路的能量转移型均衡方案

刘征宇1，2，孙庆1，马亚东1，汤伟1，王雪松1

(1.合肥工业大学 机械工程学院，安徽 合肥 230009；2.安全关键工业测控技术教育部工程研究中心，安徽 合肥 230009)

提出了一种基于Buck-Boost电路的新型均衡电路，实现了锂离子串联电池组充放电均衡。根据均衡能量流向，采取两种不同的均衡策略：电池组放电时，均衡能量由电池组向组内荷电状态(state of charge,SOC)较低的单体电池转移；电池组充电时，均衡能量由电池组中SOC较高的单体电池向电池组转移。以单体电池开路电压在线估计为基础，运用开路电压法估算SOC，选取SOC值在一定阈值范围之外的单体电池作为均衡对象，对6节串联的磷酸铁锂电池进行了充放电均衡实验。实验结果表明，该方案可以有效减小单体电池间的不一致性，提升电池组的整体性，同时提高了电池组充放电容量。

均衡充放电；能量流向；升降压电路；储能通道；泄荷通道

0 引 言

锂离子电池因其高能量密度、高电压、高循环次数和低自放电率等优点而得到广泛应用[1-2]；但是其单体电压低于5 V，不能满足动力电源对电压的需求，因此在实际应用中常使用串联电池组来满足设备对电压的要求[3]。由于电池制造工艺上的缺陷以及使用环境的不同，各单体电池之间存在性能上的差异，这些差异会造成串联电池组使用上的“短板效应”[4]。电池均衡电路是克服“短板效应”提升串联电池组容量利用率且保证其使用安全的有效途径[5-6]。能量转移型均衡通过电容、电感、变压器等储能元件实现能量转移，相比于能量耗散型均衡，这类方案普遍结构复杂、成本高、对系统的可靠性设计有较高的要求；但其能量利用率较高，是目前均衡研究的一个热点[7]。电感均衡相比于电容均衡可以实现以SOC为均衡判据的电池组均衡；相比于变压器均衡，其结构简单、成本低。另外，从均衡电流的可控性分析，采用电感作为储能元件的均衡方案，其均衡电流的可控性强[8]。

基于Buck-Boost的均衡电路在电感均衡方案中较为常用，从均衡能量流向的角度上分析这种均衡电路可以较好地体现出其特点以及均衡过程。文献[9]采用的基于Buck-Boost电路的均衡电路实现均衡能量从串联电池组中端电压或SOC较高的电池转移到最低的电池。这种均衡策略可以在很短的时间内实现电池组均衡，尤其适合单体电池数目较多和不一致性较大的场合；但这无疑提高了开关控制的复杂程度，且开关切换过于频繁，损耗较大。文献[10]和文献[11]采用的基于Buck-Boost电路的均衡电路实现了均衡能量各相邻单体之间进行转移。这种均衡策略适合于单体电池数目较少以及电池不一致性较低的电池组，且易于模块化；但对于电池数目较多的串联电池组，均衡能量可能需要较多次的转移才可以到达需要均衡的电池，一是均衡能量损失较大，二是均衡能量可能会转移给不需要均衡的电池影响其使用寿命，三是增加了均衡时间。文献[8]和文献[12]的基于Buck-Boost的均衡电路可实现的均衡能量转移策略是：在电池组充电过程中均衡能量从串联电池组中端电压或SOC较高的电池转移进一个额外的储能单元，在放电过程中均衡能量从该额外的储能单元中转移给端电压或SOC较低的电池。这种电路的优点是控制策略简单，对单体电池数目要求不高，而且不会影响其他不参与均衡的电池的充放电电流，但是它需要额外的储能单元，增加均衡系统的体积和成本。

从均衡性能和电池组的使用安全性能上来看，上述最后一个方案是最为理想的均衡方案。但由于锂离子电池制造工艺的不断提升，以及电池组使用前的单体电池的筛选过程，单体电池间的差异正在逐步缩小，均衡能量不会过大；电感均衡电路的均衡电流可控性较高，可以通过少量多次的方式转移均衡能量。因此在基于Buck-Boost的均衡电路中，均衡能量对其他不参与均衡的电池的充放电电流的影响较低；另外，额外存储单元的容量有限且同时用于电池组的充放电均衡，存在电池组充电过程中剩余的容量空间不足以接收均衡能量或电池组放电过程中剩余容量低于所需均衡能量的问题。本文在省去额外存储单元的基础上提出了一种可实现在电池组充电过程中，均衡能量从串联电池组中端电压或SOC较高的电池转移进电池组，在放电过程中均衡能量从电池组中转移给端电压或SOC较低的电池的基于Buck-Boost电路的能量转移型均衡方案。

1 均衡电路及工作原理

本文提出的基于Buck-Boost电路的新型均衡电路原理图如图1所示。

图1 基于Buck-Boost电路的新型均衡电路Fig.1 New equalization circuit based on Boost-Buck circuit

1.1 充电均衡电路

图2 充电均衡电路Fig.2 Charge equalization circuit

图3 充电均衡简化电路Fig.3 Simplified charge equalization circuit

1.2 放电均衡电路

图4 放电均衡电路Fig.4 Disharge equalization circuit

图5 放电均衡简化电路Fig.5 Simplified discharge equalization circuit

1.3 能耗分析

本文采用典型的Buck-Boost斩波电路进行电池组充放电均衡， 为了使电感的能量完全释放，充放电均衡中的电感电流应工作于电流断续模式(DCM)，如图6所示。

图6 电感电流波形Fig.6 Inductor current waveform

阶段1[0～ton]。储能通道打开，电感存储均衡电能，根据LC一阶系统阶跃响应可以得到电感中电流的变化为

(1)

式中：rds1为储能通道的等效电阻；VD1为mosfet开关的正向导通压降。

到了ton时刻，电感中电流达到最大值IP为

(2)

阶段2[ton～toff]。储能通道断开而泄荷通道导通，均衡电能从电感中转移出去，这一过程中电感电流变化的表达式为

(3)

式中：rds2为泄荷通道的等效电阻；VD2为mosfet开关和二极管的正向导通压降。

由于电感的充放电时间很短，属于ms级别，结合式(1)和式(3)，可知电感中电流大小与时间成线性关系，因而电感电流波形如图6所示。通过将电流线性化处理计算出一次均衡能量转移过程中电感存储的能量为

(4)

转移过程中，由于储能通道等效电阻rds1和泄荷通道等效电阻rds2消耗能量，因此可以得到一次均衡过程的效率如式(5)所示；但由于储能通道和泄荷通道的等效电阻是随时间不断变化地，式(5)只是一种简化的效率公式。

(5)

2 均衡流程

电池的荷电状态(state of charge，SOC)是电池管理方案的重要参数之一[13]。以SOC作为均衡判据不仅能够达到提高电池组容量利用率的目的，同时还解决了一致性问题对电池组状态识别影响的问题[14]。本文根据简化的PNGV电路模型Kalman滤波器离散时间方程和系统参数辨识在线估计单体电池开路电压(OCV)[15]，OCV与SOC有相对固定的线性关系，这种线性关系受环境温度以及锂离子电池老化因素影响很小，所以根据开路电压可以估计SOC。SOC-OCV的关系曲线图如图7所示，因此SOC估算的精度取决于OCV的估算精度。

图7 SOC-OCV曲线Fig.7 SOC-OCV diagram

本均衡电路采用SOC作为判据，具体均衡流程为：

Step1，设定充放电阈值SOCcharge和SOCdischarge。

Step2，估算每个电池的剩余容量SOC[i]，并计算所有单体电池SOC的平均值SOCav。

Step3，根据SOC[i]> SOCcharge+SOCav和SOC[i]

Step4，由式(1)和式(3)可知，当ton和toff是ms级别时，电感充电电流波形可以看成一条斜直线，所以通过电感的平均电流为IP/2。结合简化效率公式(5)可得需要参与均衡的电池E[i]的均衡次数为

(6)

式中CN为单体电池额定容量。依据均衡次数，按照既定的均衡策略进行电池组充放电均衡。

Step5，循环执行Step4，直到所有需要参与均衡的电池的均衡过程执行完毕为止。

3 实验与结果分析

将该均衡电路和均衡策略集成到实验室研制的电池保护板上进行恒流5 A充放电实验。实验硬件实物图如图8所示。

图8 硬件实物图Fig.8 Hardware physical picture

选取经过500次充放电循环后的12节磷酸铁锂电池锂离子电池(循环寿命达到2 000次以上)进行充放电实验，单体电池的额定容量10 Ah、额定电压3.2 V、充电截止电压3.6 V、放电截止电压2.0 V，并将这12节电池分成A和B两组用于均衡实验；另外，再选取一节同型号电池用于SOC估算实验；效率值η取为75%；导通时间ton取为50 μs，关断时间toff取为100 μs；实验温度为25 ℃。

3.1 OCV估算实验

首先测出用于SOC估算实验的磷酸铁锂电池5 A 充放电电流下的OCV与时间t曲线，然后将Kalman滤波SOC估算算法嵌入到均衡系统中，分别进行5 A充放电电流下的充放电OCV估算实验，最后将OCV与时间t曲线及充放电的OCV估算数据导入Matlab之中，拟合出来的曲线图如图9所示。

可以看出，OCV的估算在充放电的前期过程误差较大，但很快估算曲线便十分接近于真实曲线；因此均衡所用到的SOC估算值应选取于估算曲线的后期，这些SOC误差将低于5%，对均衡精度的影响很小。下面的充放电实验考虑到这一问题，设定充放电均衡的SOC阀值分别为60%和30%。

图9 OCV估算拟合曲线Fig.9 OCV estimate fitting curve

3.2 充电均衡实验

将A组的6节电池标准放空。将它们串联起来进行无均衡充电实验，当任意一节电池的电压达到充电截止电压3.6 V时，停止充电，记录每节电池的SOC值，如表1。然后分别给各节电池标准放空，再进行有均衡充电实验，当任意一节电池的SOC值达到充电阀值60%时，启动充电均衡，并作出每节电池SOC变化曲线如图10所示。当任意一节电池的电压达到充电截止电压3.6 V时，停止充电并记录每节电池的SOC值，如表1所示。

图10 充电均衡过程Fig.10 Charge equalization process

表1 充电实验 Table 1 Charge experiments

3.3 放电均衡实验

将B组的6节电池独立充电，使得6节电池的初始容量均为90%。电池串联后，对其进行无均衡放电实验，当任意一节电池的电压达到放电截止电压2.6 V时，停止放电，并记录每节电池的SOC，如表2所示。然后使各节电池分别恢复至初始容量90%，将其再次串联后进行有均衡放电实验，当任意一节电池的SOC低于放电阀值30%时，启动放电均衡，并作出各单体电池SOC变化曲线如图11所示，当任意一节电池的电压达到放电截止电压2.6 V时，停止放电，并记录各单体电池的SOC，如表2所示。

图11 放电均衡过程Fig.11 Discharge equalization process

3.4 结果分析

从表1中得到的无均衡充电实验情况下各节电池的SOC数值可以看出，由于单体电池间的不一致性，电池组充完电之后，单体电池的SOC极差值达到12.20%，电池组充入的总容量只有其额定容量的83.23%，其中电池E4只充入了79.03%的电量。而在均衡充电实验的情况下，单体电池间的SOC极差值只有6.12%，电池组充入的总容量占其额定容量的87.11%，充入电量最低的电池也达到了84.27%。比较无均衡和有均衡充电实验，可以看出，该方案有效地改善了单体电池间的不一致性，使得均衡后的单体电池SOC极差值降低了约6个百分点；另外通过比较电池组的可充入容量，可以看出均衡后的电池组可充入容量增加了约4%，该方案提高了电池组的可充入容量。图10反映了电池组充电实验的均衡过程，由于均衡时，电池E5和E1的能量会被抽取出来反馈给电池组，这两个电池的SOC增长率慢慢降低，使得各单体电池的SOC逐渐趋于一致。总体上来看，该充电均衡方案较大的改善了单体电池间的不一致性，同时提高了电池组的充入容量。

表2 放电实验Table 2 Discharge experiments

表2中的无均衡放电实验数据表明，单体电池间的不一致性导致电池组中单体电池SOC的极差值为9.15%，电池组剩余容量占总容量的15.43%，其中电池E2还有20.06%的电能没有放出。在均衡放电的条件下，单体电池SOC的极差值只有5.57%,电池组剩余电能为13.58%，相比无均衡的电池组，单体电池SOC的极差值降低了3.58，电池组可放出能量增加了1.85%，另外，剩余容量最多的电池E4只有15.87%的能量未放出。从图11中可以看出由于均衡能量从电池组不断转移给电池E1和E5，所以它们的放电速率明显低于其他节电池。总体来讲，该放电均衡方案增强了电池组的整体性，同时提高了电池组的能量利用率。

4 结 论

本方案在保证锂电池组的充放电安全的前提下，较好地实现了电池组的充放电均衡，改善了单体电池间的不一致，同时提高了电池组的充放电容量。今后的研究可放在两个大方面上：一是优化均衡阀值、充放电阈值以及均衡次数，细致研究分析它们对均衡效果的影响，实现参数的优化选择进一步提升均衡效果；二是通过开关配置，本电路同样适用于其他均衡策略，灵活运用各种均衡策略，在不同充放电阶段采用不同的均衡策略，观察均衡效果。

[1] 胡国珍,段善旭,蔡涛,等.基于模型参数拟合的锂离子电池充电电源控制性能[J].电工技术学报,2012,27(2):146.HU Guozhen,DUAN Shanxu,CAI Tao,et al.Control performance analysis of lithium-ion battery charger based on model parameter fitting[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2012,27(2):146.

[2] 朱小平,张涛.基于自适应理论的锂离子电池SOC估计[J].电气技术,2013(7):47.ZHU Xiaoping,ZHANG Tao.New methId of SOC estimation for lithium-ion batteries based on self-adaptive system[J].Electrical Engineering,2013(7):47.

[3] CHEN Haoqi,ZHANG Liang,HAN Yehui.System-theoretic analysis of a class of battery equalization systems:mathemat- ical modeling and performance evaluation [J].IEEE Transactions on Vehicular Technology,2014,64(4):1445.

[4] 艾洪克,吴俊勇,田明杰,等.组合级联式大容量储能系统两级SOC 自均衡策略研究[J].电力系统保护与控制,2014,42(22):75.AI Hongke,WU Junyong,TIAN Mingjie,et al.Research on two-stage SOC self-balancing control strategy in hybrid cascade energy storage system[J].Power System Protection and Control,2014,42(22):75.

[5] KETZER M B,LIMA A M N ,OLIVEIRA A C,et al.Evaluating circuit topologies for battery charge equalization [C]// IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE,2013:743-748.

[6] 罗玉涛,张智明,赵克刚.一种集散式动力电池组动态均衡管理系统[J].电工技术学报,2008,23(8):131-136,142.LUO Yutao ,ZHANG Zhiming,ZHAO Kegang.A novel distributed equilibrium and management system of dynamic battery pack[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2008,23(8):131-136,142.

[7] RAGHU Raman S,XUE X D,CHENG K W E.Review of charge equalization schemes for li-ion battery and super-capacitor energy storage systems[C]//IEEE International Conference on ICAECC,2014:1-6.

[8] 刘红锐,张昭怀.锂离子电池组充放电均衡器及均衡策略[J].电工技术学报，2015,30(8)：186.LIU Hongrui,ZHANG Zhaohuai.The equalizer of charging and discharging and the balancing strategies for lithium-ion battery pack[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2015,30(8)：186.

[9] WU Tsung His,CHANG Chu Shen,MOO Chin Sien.A charging scenario for parallel Buck-Boost battery power modules with full power utilization and charge equalization[C]//IEEE International Conference on Industrial Technology,2015:860-865.

[10] SANG H P,KI B P,HYOUNG S K,et al.Single-magnetic cell-to-cell charge equalization converter with reduced number of transformer windings[J].IEEE Transaction on Power Electronics,2012,27(6):2900.

[11] ZHANG Shiping,LU Rengui,SUN Jinwei.Buck-boost equalizer for super-capacitor modules[C]//IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference,2010:1-5.

[12] HSIEH Yao C,MOO Chin S,TSAI I S.Balance charging circuit for charge equalization[C]//Power Conversion Conference,2002:1138-1143.

[13] 冯飞,逯仁贵,朱春波.一种锂离子电池低温SOC估计算法[J].电工技术学报,2014,29(7):53.FENG Fei,LU Rengui,ZHU Chunbo.State of charge estimation of Li-Ion battery at low temperature[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2014,29(7):53.

[14] 王占国,文锋,盛大双,等.新型充放电均衡一体化电池管理系统研究[J].电子测量与仪器学报,2012,26(5):431.WANG Zhanguo,WEN Feng,SHENG Dashuang,et al.New battery management system of integrated charging and discharging balance[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument,2012,26(5):431.

[15] 董博,李永东.基于剩余容量估算的快速蓄电池均衡[J].清华大学学报(自然科学版),2012,52(3):374． DONG Bo,LI Yongdong．Quick battery equalization based on the state of charge[J].Journal of Tsinghua University(Science and Technology),2012,52 (3):374．

(编辑：刘琳琳)

Energy-transferringequalizationschemebasedonBoost-Buckcircuit

LIU Zheng-yu1,2，SUN Qing1，MA Ya-dong1，TANG Wei1，WANG Xue-song1

(1.School of Mechanical Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China; 2.Engineering Research Center of Safety Critical Industry Measurement and Control Technology of Ministry of Education,Hefei 230009,China)

A new equalization circuit based on Boost-Buck circuit was proposed,which realizes the charge and discharge equalization of series-connected lithium-ion batteries.Two different balancing strategies were used respectively according to the balanced energy-transferring direction.When battery pack was discharging,the balanced energy was transferred from the battery pack to the batteries with lower stage of charge (SOC); When battery pack was charging,the balanced energy was transferred from the higher SOC batteries to the battery pack.The scheme were based on online estimation of open circuit voltage(OCV)of single cell,which takes advantage of OCV-SOC curve to estimate the stage of charge(SOC)，balanced objects were selected whose SOC are outside a certain range and an experiment was performed for six serially connected LiFeP04 battery cells.Experimental results confirm that the inconsistency between the single cells is validly reduced,the integrity of the battery pack is improved and the charging and discharging of battery pack is increased．

charge and discharge equalization; energy-transferring direction; Boost-Buck circuit; energy storage channel; unloading channel

10.15938/j.emc.2017.09.010

TM 315

:A

:1007-449X(2017)09-0073-07

2016-02-22

国家国际科技合作专项资助项目(2012DFB10060)；合肥工业大学应用科技培养计划项目

刘征宇(1979—)，男，副教授，研究方向为新能源汽车能量系统建模与控制、工业物联网；孙 庆(1991—)，男，硕士，研究方向为新能源汽车能量系统建模与控制；马亚东(1991—)，男，硕士，研究方向为新能源汽车能量系统建模与控制；汤 伟(1990—)，男，硕士，研究方向为新能源汽车能量系统建模与控制；王雪松(1990—)，男，硕士，研究方向为新能源汽车能量系统建模与控制。

孙 庆