基于落差式组合策略的串联锂离子电池组均衡方案

王敏旺，吴华伟，戈小中



基于落差式组合策略的串联锂离子电池组均衡方案

王敏旺1,2，吴华伟1,2，戈小中3

（1湖北文理学院纯电动汽车动力系统设计与测试湖北省重点实验室，湖北 襄阳 441053；2湖北文理学院汽车与交通工程学院，湖北 襄阳 441053；3东风襄阳旅行车有限公司，湖北 襄阳 441000）

为了提升飞渡电容式均衡方法的速度和效率，提出了建立电压落差的充放电组合策略，分析了落差式组合策略与常规方案的工作过程，对比了二者均衡速度的差异，将均衡电路等效为完全响应的RLC电路，通过公式推导及Matlab计算，分析了能量损失率与电路参数的关系，对比了不同充放电组合对均衡效率的影响。研究表明：落差式组合策略可显著提升飞渡电容式均衡速度，并且可以通过优化充放电组合，提升均衡效率。通过实验对所提出的方案进行了分析与验证，结果表明，该方法能有效解决电池组不均衡问题。

飞渡电容；组合式；均衡速度；均衡效率

电池组由相同规格型号的电池通过串、并联的方式组合而成。生产及使用过程中单体电池的电压、内阻、电荷量等参数不能保证完全一致，极端情况下会出现个别电池失效而影响电池组性能的情况。 在电池行业没有出现重大技术突破，容量和性能没有明显提高的情况下，针对性管理电池组中出现问题的少数电池，保证电池特性的一致性，是提高电池组使用寿命的关键。动力电池组均衡方法可以分为能量耗散型和非能量耗散型[1]，能量耗散型均衡主要以电阻式均衡为主[2]；非能量耗散型均衡主要有电容式均衡和直流变换式均衡，直流变换式均衡[3-5]是通过高频变压器将能量在电池间转换，电容式均衡是通过中间电容将能量在电池间进行转换。

电容均衡法具有成本低、体积小的优点[6]，如图1所示，可以分为开关电容式和飞渡电容式。开关电容式均衡不依赖电压传感器，控制简单，但在高低压电池相距较远时，均衡速度显著变慢[7-8]；飞渡电容式均衡将电容在高低压电池间进行并联切换[9]，根据检测到的单体电池电压，针对性地对出现问题的电池进行均衡，均衡速度较开关电容式快。但在使用中，单体电池之间压差较小及回路其它元器件电阻的原因，均衡过程中电容充电电压较低，导致均衡速度仍不理想。文献[10]在均衡回路增加电感，电池先与电感并联向电感储能，然后电池与电感电势叠加一起向电容充电，接着电容再向电压低的电池放电，提升了均衡速度。文献[11]提出在飞渡电容和单体电池间增加双向Buck-Boost变换器，可以保证较高且稳定的电容充放电流，提升了均衡速度。

图1 电容均衡法类型

目前，主要通过增加电感以提升充放电电压差的方式来改进飞渡电容法均衡速度，这种方法使均衡系统的结构变得复杂，增加了成本。本工作提出了一种基于落差式组合策略的均衡方法，在均衡回路中不增加储能用电感等元件的前提下，通过调整充放电电池组合，提升电容充放电电压差，可明显改善飞渡电容法的均衡速度。为了提高均衡效率，分析了均衡回路中电容充放电压差、电阻、电感、电容等参数，得出影响均衡效率的因素，为该方法的进一步优化应用奠定了基础。

1 系统概述

均衡系统结构如图2所示，主要包括电池组、开关阵列、储能元件、电压检测单元。工作时，通过开关阵列依次选通各个电池，由电压检测单元采集电压，当出现不均衡情况时，通过开关阵列切换需要充放电的电池组合，由储能元件作为中继单元实现能量的重新分配。

图2 均衡系统原理

以电压为均衡参数，充放电组合的基本含义为：充电组合中的电池电压较高，通过与电容并联将能量转出；放电组合中的电池电压较低，通过与电容并联获取能量。以图3为例，描述落差式组合策略的基本工作过程。图3(a)中，串联的3节电池中B1电压偏离，超出阀值。放电组合为（B2, B3），与电容并联后电容电压升至6.842 V。充电组合为（B1），电容再与B1并联，电容电压降至3.401 V。能量由高电压的B2、B3转移至低电压的B1；图3(b)中，串联的5节电池中B1、B2电压偏离，此时放电组合为（B3, B4, B5），先与电容并联，电容电压升至10.263 V。充电组合为（B1, B2），电容再与B1、B2并联，电容电压降至6.802 V。能量由高电压的B3、B4、B5转移至低电压的B1、B2。选择充放电组合时，放电组合比充电组合多一节电池，形成电压落差。

面对图3(a)的情况，传统的飞渡电容均衡法工作过程为：电容先与B2并联后再与B1并联，将B2的能量转移至B1。然后，电容与B3并联后再与B1并联，将B3的能量转移至B1。循环工作，直至电池组达到均衡状态，其电容每次充放电压差为0.02 V。以图3(a)为例，对比两种方法单次转移的能量，见表1。

图3 充放电组合

表1 两种方法转移能量比较

充电组合包含2节电池，放电组合包含1节电池的情况简称为2对1方式。从表中可以看出，2对1方式单次转移能量是1对1方式的258倍。电容的充放电速度由本身容量及回路电阻决定，在电阻和电容不变的情况下，单位时间内电容充放电次数不变，单次转移能量增多意味着单位时间内转移能量增多，即2对1方式均衡速度是1对1方式的258倍。

通过对电池进行组合，保证放电组合比充电组合多1个电池，增加电容充放电压差，可明显提升飞渡电容法的均衡速度。放电组合可以比充电组合多2个或者更多个电池，形成更大的电压落差，均衡速度变得更快，但均衡效率会下降。

2 均衡效率分析

均衡回路中的电容和电感为储能元件不消耗能量，工作过程中，一部分能量在电池间转移，还有一部分能量消耗在电阻上，以下讨论系统参数变化对均衡效率的影响。

电容充放电回路可以简化为RLC电路，如图4所示。假设电容充放电过程中电池电压不变，即等效为恒压源B，为回路等效电阻。

图4 等效电路

以图3(a)中放电组合（B2, B3）给电容充电为例，等效RLC电路为完全响应，电容电压由C升至B，用二阶微分方程描述

电容充放电过程中，应加快充放电速度，减少损耗，避免LC振荡。上述微分方程在过阻尼情况下的解为

其中

回路电流为

经过时间1后，电阻耗能为

代入电流表达式，整理后得到

定义电容完成一次充电能量损失率为

则电容完成一次充电均衡效率为

图5 R/L/C与电阻耗能的关系

图5中电容初始电压B与电池电压C不变，积分时间1相同，LC无振荡。图5(a)为电阻大小与电阻耗能的关系，在电感和电容不变的情况下，电阻增加但电阻耗能不变，能量损失率不变；图5(b)为电感大小与电阻耗能的关系，在电阻和电容不变的情况下，电感增加不会导致电阻耗能改变，能量损失率不变；图5(c)为电容与电阻耗能的关系，电阻耗能随电容增加而线性增大，可假设此时R=，代入能量损失率公式，在电感和电阻不变的情况下，电容变化而能量损失率不变。从电阻耗能公式可以得到，在//不变的情况下，电容充电电压差（B−C）越大则电阻耗能越大。综合以上分析，可假设

其中为常数，能量损失率可表示为

所以，在电路不发生振荡的前提下，能量损失率与//参数无关，只与电容初始电压和电池电压相关。由式(9)可以得到两个结论：①当电容初始电压和电池电压的和一定时，二者落差越大能量损失率越大，均衡效率越低；②当电容初始电压和电池电压的落差一定时，二者的和越大能量损失率越小，均衡效率越高。

以5节串联电池为例，3对2方式与4对1方式进行比较，4对1方式均衡速度更快，但根据上述结论①可得，其均衡效率更低。所以，增加放电组合与充电组合相差电池数量，增加电压落差，可以提升均衡速度，但均衡效率降低。3对2方式与2对1方式比较，均衡速度相同，根据上述结论②可得，3对2方式均衡效率更高。即在充放电组合电压落差相同的情况下，通过增加充放电组合中的电池数量，可以提升均衡效率。

表2对比了电容电压变化相同但充放电组合中电池数量不一样时的能量损失率。表中电容电压变化都为4 V，随着充放电组合中电池数量增多，电容电压升高，单次转移能量增多，能量的损失率逐渐减小，均衡效率逐渐提升。

表2 均衡效率分析

放电组合比充电组合多1个电池，可以增加飞渡电容充放电压差，提升均衡速度。如果继续增加二者相差的电池数量，均衡速度提升的同时均衡效率会下降。可以通过提升充放电组合中的电池数量，来提升均衡效率。电池组均衡过程中应综合考虑均衡速度和均衡效率，针对不同的状态，动态调整充放电组合，以最优的方式完成均衡。

3 实验验证

使用4节三星ICR18650-26F电池串联成组，开关选用2SK2054，N通道MOSFET，导通电阻小，开关特性好。在均衡电路中，MOSFET源极不直接接地，需要专门的驱动电路，选用专用驱动芯片IR2103，其带有的自举及电平转换电路，可以简化驱动电路设计，主要电路如图6所示。电压采集芯片选用TI公司的16位Δ模数转换器ADS1100，5 V电源电压时，分辨率为0.000152 V，可通过I2C总线与主控芯片通讯。主控芯片通过光耦间接控制IR2103及与ADS1100通讯，实现电气隔离。电容的大小由回路等效电阻和MOSFET开关频率共同决定，回路允许的峰值电流可以确定电感值。

表示电池状态的参数有电压、内阻、SOC，文献[12]分析了以电压、SOC分别作为均衡变量时的优缺点，理论上以SOC作为均衡变量可以保证单体电池剩余容量的一致性，但目前还没有有效的方法可以保证SOC估算的精度和实时性，电压便于测量且精度高，因此采用单体电池的电压参数作为均衡变量。

图6 MOSFET驱动电路

电池组均衡流程如图7所示，当检测到单体电池间最大电压差超过0.02 V，均衡系统开始工作。

图7 工作流程

首先对最大电压电池相邻的电池充电，直至二者压差小于0.01 V，然后由最大电压电池和相邻电池组成放电组合，对另外两个电池分别进行充电，直至所有电池压差小于0.01 V，均衡完成。

实验结果如图8所示，4块电池的初始电压分别为3.872 V、3.861 V、3.852 V、3.847 V。开始阶段放电组合为（B3, B4），能量转移至B2，B2电压上升。随后放电组合改变为（B1, B2），能量分别转移至B3和B4，B3和B4电压依次上升。在电池组开路状态下，经过10 min均衡，最大电压差值小于0.01 V，达到了均衡状态。

在图8的均衡过程中，能量先转移至B2，随后B2的能量又转移至B3、B4，这个往复的过程在电阻上会损失很多能量。以保证电容充放电一个电池压差为目标，可以有很多种充放电组合，例如在图8中，首先放电组合为（B1,B2），能量转移至B3和B4，当B3和B4电压值进入B1和B2电压值区间以内，判断B1和B2压差是否小于0.01 V，小于则完成均衡，大于则放电组合变为（B3, B4），对B2进行充电，如此循环，直至均衡。不同的充放电组合，完成均衡所需的电容充放电次数也不同。充放电次数越少，损失的能量也越少。系统优化时还应以充放电次数最少为目标，调整充放电组合。

图8 电池组均衡曲线

4 结 论

落差式组合策略不需要向电路中增加储能电感等原件，保持了电容均衡法成本低、体积小的优点，提升了飞渡电容法的均衡速度和均衡效率。有如下结论。

（1）充放电组合电压落差越大，均衡速度越快，均衡效率越低。

（2）//的变化，不影响均衡效率。

（3）充放电组合中电池数量越多，均衡效率 越高。

这些结论说明此方法在大容量、串联节数多的电池组均衡中具有优势，在此类型电池组应用中，划分的充放电组合相差电池数量可以更多，均衡速度更快；划分的充放电组合中电池数量可以更多，均衡效率更高。实验完成了4节串联锂电池的均衡，证实此方案有效，可用于实际工作中。

[1] 鲁文凡, 吕帅帅, 倪红军, 等. 动力电池组均衡控制系统的研究进展[J]. 电源技术, 2017, 41(1): 161-164.

LU W F, LÜ S S, NI H J, et al. Research progress of equalization strategy system for power batteries[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2017, 41(1): 161-164.

[2] 徐顺刚, 王金平, 许建平. 一种延长电动汽车蓄电池寿命的均衡充电控制策略[J]. 中国电机工程学报, 2012, 32(3): 43-48.

XU S G, WANG J P, XU J P. An equalizing charge control strategy to extend battery cycle life for electric vehicles[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(3): 43-48.

[3] 谢凯, 潘明, 张向文. 电动汽车动力电池主动均衡控制设计[J]. 计算机仿真, 2017, 34(6): 156-161.

XIE K, PAN M, ZhANG X W. Design of active equalization control for electric vehicle power battery[J]. Computer Simulation, 2017, 34(6): 156-161.

[4] 熊亮. 大功率锂电池组多通道主动均衡技术研究[D]. 绵阳: 西南科技大学, 2016.

XIONG L. Research on multichannel active equalization technology for high power lithium battery[D]. Mianyang: Southwest University of Science and Technology, 2016.

[5] 刘倩怡, 徐顺刚, 许建平, 等. 一种基于推挽变换器的模块化电池均衡电路[J]. 电工技术学报, 2018(14): doi: 10.1959/j.cnki. 1000-6753.tces.170659.

LIU Q Y, XU S G, XU J P, et al. A modularized equalizer for series-connected batteries based on push-pull converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018(14): doi: 10.1959/j.cnki.1000-6753.tces.170659.

[6] KIM M Y, KIM C H, KIM J H, et al. A chain structure of switched capacitor for improved cell balancing speed of lithium-ion batteries[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 61(8): 3989-3999.

[7] 冯能莲, 陈龙科, 汤杰. 串联电池组电容式均衡系统研究[J]. 重庆理工大学学报, 2016, 30(1): 1-6.

FENG N L, CHEN L K, TANG J. Study on capacitive equalizing system for series battery[J]. Journal of Chongqing Institute of Technology, 2016, 30(1): 1-6.

[8] 李泉, 周云山, 王建德, 等. 基于双层准谐振开关电容的锂电池组均衡方法[J]. 电工技术学报, 2017, 32(21): 9-15.

LI Q, ZHOU Y S, WANG J D, et al. Equalization method of lithium battery pack based on double-tiered quasi-resonant switched capacitor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(21): 9-15.

[9] 逯仁贵, 王铁成, 朱春波, 等. 基于飞渡电容的超级电容组动态均衡控制算法[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2008, 40(9): 1421-1425.

LU R G, WANG T C, ZHU C B, et al. Dynamic equalization algorithm based on switched capacitor applied in super-capacitor stacks[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2008, 40(9): 1421-1425.

[10] 李仲兴, 余峰, 郭丽娜. 电动汽车用锂电池组均衡控制算法[J]. 电力电子技术, 2011, 45(12): 54-56.

LI Z X, YU F, GUO L N. Lithium-ion batteries equalization algorithm of electric vehicle[J]. Power Electronics, 2011, 45(12): 54-56.

[11] 夏小东. 带有升降压变换器的飞渡电容式电池组均衡技术研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2011.

XIA X D. Research on battery equalization using flying capacitor with buck-boost converter[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2011.

[12] 桂宇. 纯电动汽车锂动力电池组双向均衡控制策略研究及系统开发[D]. 长春: 吉林大学, 2014.

GUI Y. Research on bidirectional equalization strategy and system development for lithium-ion power battery pack of pure electric vehicle[D]. Changchun: Jilin University, 2014.

Equalization scheme for series connected Li-ion battery pack based on drop combination strategy

WANG Minwang1,2, WU Huawei1,2, GE Xiaozhong3

(1Hubei Key Laboratory of Power System Design and Test for Electrical Vehicle, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;2School of Automotive and Traffic Engineering, Hubei University of Arts and Science, Xiangyang 441053, Hubei, China;3Dongfeng Xiangyangtouring Car Co. Ltd, Xiangyang 441000, Hubei, China)

In order to improve the speed and efficiency of the capacitive equalization method, a charge-discharge combination strategy for establishing voltage drop is proposed. The working process of the combination strategy and the conventional scheme is analyzed. The difference of equalization speed between the two schemes is compared. The equalization circuit is equivalent to the full-response RLC circuit. The relationship between energy loss rate and circuit parameters is analyzed by formula deduction and Matlab calculation. The effect of different charge-discharge combinations on equalization efficiency is compared. The results show that the drop combination strategy can significantly improve the speed of capacitive equalization, and the equalization efficiency can be improved by optimizing the charge-discharge combination. The proposed scheme is analyzed and verified by experiments. The results show that the method can effectively solve the problem of unbalanced battery pack.

flying-capacitor; combined type; equilibrium velocity; equilibrium efficiency

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0179

TM 912

A

2095-4239（2019）01-167-06

2018-09-05；

2018-09-28。

湖北省技术创新专项重大项目（2017AAA133），“机电汽车”湖北省优势特色学科群开放基金项目（XKQ2018002）。

王敏旺（1986—），男，硕士，助教，研究方向为新能源汽车电池组管理及驱动电机控制，E-mail：wmw.king@163.com。

吴华伟，副教授，研究方向为机电系统设计故障诊断与健康管理，E-mail：whw_xy@163.com。