电池组改进型电感均衡电路研究

杨坚 张巧杰 赵旭

北京信息科技大学 自动化学院，北京 100192

一、引言

目前，由于单体电池难以满足某些设施电压和容量的要求，串联电池组的应用越来越广泛。

由于单体电池的制作工艺特殊性，所生产的单体电池的内阻、电压及其工作温度都会有所差异，导致单体电池初始容量也会有所差异，进而使电池串联使用时不均衡现象扩大[1]。

由于串联电池组间电池内阻和极化电压的作用，电池在充电模式下，容量较小的单体电池过充，容量较大的单体电池充电不足；在放电模式下，容量较小的单体电池先完成放电，容量较大的单体电池则剩余过多容量。随着充放电次数的增加，会使容量小的电池容量急剧衰减甚至无法使用，最终将导致整个电池组失效，进而影响用电设备的正常运行。

为了提高串联电池组的性能，充电、放电或使用时，要保证电池组间容量的均衡。由于容量大小与电压高低成正比关系，均衡电池组间容量及电池组间电压，设计均衡电路拓扑，对串联电池组进行均衡控制，动态调节电池组电压的不一致性，可以达到优化性能和延长整体使用寿命的目的[2]。

为了提高传统均衡电路的效率，改善其电路结构复杂、只能实现能量由高到低的单向逐级流动的缺点，对经典Buck-Boost电路进行改进，并以其作为均衡电路基本单元，通过控制开关管占空比，使串联电池组中电压高的电池单元自发向电压低的电池单元转移电能。通过电路分析、仿真实验验证，所改进的电感型均衡电路，减少了开关器件的使用，降低了电路的电能损耗，提高了均衡电路的效率，克服了电能只能由上至下的均衡方式。

二、传统电感型均衡电路

四电池串联传统均衡电路如图1所示，该电感均衡就是以电感为储能元件，使能量以电流的形式在单体电池与单体电池之间或单体电池与电池组之间转移，进而使各个单体电池之间的能量达到平衡[3]。该均衡电路的每个均衡模块为典型的升降压斩波电路。该电路上下桥臂均采用电力场效应晶体管MOSFET，每相邻的两个单体电池有一个均衡模块，均衡模块可以使能量在相邻两电池间双向流动，每个均衡模块工作时只需对一个开关器件进行开关控制，因此均衡电路的控制简单，均衡电流可控，但均衡时能量只能在相邻电池间传递，单体电池CELL4无法向CELL1充电。

三、均衡电路拓扑

1、电路结构

针对上述传统电感均衡电路，提出了一种基于电感平衡的拓扑结构，这种拓扑结构可以从任一电压较高的电池单元向电压较低的电池单元转移电能，不局限于相邻单体电池的能量转移，运用大电池组充电放电，以及在电池组工作过程中，可以进行实时补偿电池负载电流造成的不平衡，实现电池组间快速均衡，并且减少功率损耗，提高电池组的使用效率以及寿命[4]。

以4个蓄电池串联为例，均衡电路拓扑上下桥臂由电力场效应晶体管 MOSFET组成。每个均衡代表一个改进的Buck-Boost转换器工作在双向连续电流模式。它的输入和输出电压由一个或多个串联的电池单元组成，此结果改善了传统均衡电路只能实现电能由高到低在相邻单体间转移的问题，提高了均衡系统的效率，具体电路拓扑如图2所示。

该均衡电路在电池充放电时，均衡能量在电池组内部的各个单体电池之间转移，它来自电池组，最终也回归电池组。图4为一个包含4个单体电池的电池组均衡模块，均衡模块中不包含独立的电源，它由一个桥式开关矩阵和一个电感L组成。

2、改进Buck-Boost电路

经典Buck-Boost电路如图3（a）所示。改进后的Buck-Boost电路如图3（b）所示，将二极管D1由一个MOSFET开关管Q2取代，以确保电能的双向流动和电感电流可以工作在连续状态。将电阻R1由电池单元CELLj取代，输入电压源代表一组蓄电池组，负载表示单个电池或多个串联的电池单元。

将改进后的Buck-Boost电路作为均衡电路的基本均衡单元，对于每一个均衡单元，输入电压源可以由串联电池组的一部分表示，输出电压可以由串联电池组的另一部分部分表示，可以实现高电压电池组整体转移电能到低电压电池组，提高电池组的均衡效率。

3、工作原理

本文以4个蓄电池串联为例，均衡电路结构如图4所示。该电路结构在不使用变压器的情况下，通过控制开关管的通断，使串联电池组中高电压的任意电池单元向低电压的任意电池单元流动，不局限于相邻电池单体之间自高向低的电压均衡。这种电路结构可以运用在串联电池组充电或放电等运行过程中，利用电池组间电压的差异，实时均衡串联电池组中单体电池之间的电压不平衡[5]。

均衡电路拓扑有两种均衡策略。均衡策略一如图4（a）所示，电池充放电或静置时，均衡能量通过均衡器直接由电池组中的高电压单体电池向低电压单体电池转移。均衡策略二如图4（b）所示，在电池充电时抑制电池组中的高电压单体电池能量的上升，通过均衡器使其向同组中的其他所有单体电池放电，从而能量由电池组中的高电压单体电池向同组中的其他所有电池转移；在电池放电时对电池组中电压最低的单体电池进行能量补充，能量由同组中的其他所有单体电池向此低电压的单体电池转移。下面针对这两种均衡策略对均衡电路的工作原理进行具体分析。

（1）均衡策略一

假设单体电池CELL1电压高于CELL2、CELL3、CELL4电压，需要将CELL1中的电能向CELL2、CELL3、CELL4转移，i1为输入端电池CELL1的均衡放电电流，i2为输出端电池CELL2、CELL3、CELL4的均衡充电电流，控制开关管Q6和Q10导通，控制Q2PWM通断，其电能转移回路如图4（a）所示，电能由电池CELL1向电池CELL2、CELL3、CELL4转移，进行电压均衡。若由CELL2、CELL3、CELL4组成的电池组向CELL1转移电能，电流方向相反。

在电池充电时，高电压单体电池通过均衡器向同组中的其他所有电池放电；而在电池放电时，电池组中的低电压单体电池通过均衡器被同组中的其他所有电池充电。均衡能量转移电路为改进的Boost-Buck 升降压斩波电路，且工作在电感能量完全转换模式。如图4（a）包含4个串联单体电池的电池组，假定CELL1为电池组中电压最高的单体电池，其放电开关为Q2和Q6，其余串联电池中为电压最低的电池单元，其充电开关为Q2和Q10。

（2）均衡策略二

若CELL1高于平均电压水平，CELL3低于平均电压水平，CELL2、CELL4在平均电压附近，则可有最高单体电池给最低单体充电，如图4（b）所示，在整个均衡过程中，只用到Q2、Q6、Q9开关管，电路损耗较小，电路结构简易，易于控制。

在电池充放电过程中，均衡能量通过均衡器直接由电池组中的高能量单体电池向低能量单体电池转移。假定CELL1为电池组中电压最高的单体电池，而CELL3为电池组中电压最低的单体电池，则CELL1的放电开关为Q2、Q6，CELL3的充电开关为Q2和Q9，均衡时要实现能量由电池CELL1向电池CELL3转移。

四、电路分析

由图3（b），在t=0时，开关管Q1导通，Q2截止。电源电压Vi全部加到电感L上，电感电流iL线性增长：当t=Ton时，iL达到最大值iLmax。在Q1导通期间，iL的增长量为：

其中，Ton—开关管导通时间；

D—占空比；

Ts—周期。

在t=Ton时，Q1关断，Q2打开，iL通过Q2续流，电感L的储能向负载转移。此时加在L上的电压为-Vo，iL线性减小：

当t=Ts时，iL达到最小值iLmin。在Q1截止期间，iL的减小量为：

稳态工作时，Q1导通期间，电感电流的增长量等于在截止期间的减小量。那么可得：

若不计损耗，则有：

开关管Q1截止时，加在其上的电压为：

开关管导通时，加在Q2上的电压为：

电感电流的平均值为：

流过开关管Q1的平均电流是输入电流，有效值为：

流过Q2的平均电流是输出电流，有效值为：

如果两个单元存在电压不平衡，平衡电流从电压高的单元流向电压低的单元。当单元间电位差较大时，在均衡过程开始时，平均平衡电流的绝对值越大。随着电池单元电压均衡，当单元间电位差减小时，均衡电流也减小。

在电池电压之间的高度不匹配的情况下，平衡电流会达到非常高的值的情况下。因此，进行电流或热限制是必要的，以避免设备损坏[6]。

五、仿真结果

以4个蓄电池串联为例，对上述均衡系统进行了模拟，其仿真参数设计如表1所示。

表1仿真参数设置

表2 仿真结果对比

将4个12V电池模型串联，搭建经典电感型均衡电路和改进型电感均衡电路，对比电压均衡效果。为了缩短仿真时间，将电池容量缩小为2.4Ah。基于经典电感型均衡电路只能在相邻单体之间自高向低进行均衡，所以4个串联单体电池电压依次由高到低进行设置，CELL1初始电压为12.09V，CELL2初始电压为12.02V，CELL3初始电压为11.98V，CELL4初始电压为11.92V。

对比可知改进前后单位时间内转移电能进行比对，改进后均衡电路均衡效率高于改进前均衡电路。

为了验证其均衡电路的拓展性，用8个电池进行串联，有7个均衡单元，每个晶体管的占空比用前文公式进行定义。图5表示电池充电过程中的电池电压均衡过程，在均衡系统中的电池的电压已被定义在不同的水平。由于它是一个自然的平衡系统，电压和电流不被控制，并出现一个短暂的稳定化之前的均衡过程，收敛到相对稳定的电压水平。

为了减少模拟时间，电池容量该模型已在额定0.1mAh，开关频率为100kHz，电池组的总电压V=24V。

六、结论

本文提出的串联电池组以电感和开关管作为基础器件的均衡系统，以自然现象中能量由高到底转移的思想，结合改进型Buck-Boost电路所设计的主动均衡型均衡系统，可以适用与多级电池串联[7]，不同类型电池的串联，在充电、放电以及使用过程中都可实现均衡。相对于典型电感均衡电路，本文所提出电路开关器件少，可实现低功耗高效率，电路简单可行。在文章最后进行了仿真实验，得到良好的效果。但是所涉及系统中，尚未加入控制算法，会使均衡效果受到影响，在日后的研究中，需要加入控制算法，以提高均衡电路的使用效率。