一种基于Sepic-Zeta混合斩波电路的动力电池组双向高速均衡器研究*

刘红锐，李 博，郭奕旋，杜春峰，陈仕龙，钱 晶

（1.昆明理工大学电力工程学院，昆明 650500； 2.中国长江电力股份有限公司，宜昌 443000；3.昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093）

前言

由于锂离子电池具有体积小、质量轻、标称电压相对较高、循环寿命长和无记忆效应等优点而备受电动汽车市场的青睐［1］。锂离子单体电池标称电压介于3.2～3.6 V之间，使用时需要串联大量的锂离子电池来满足电压要求［2－6］。单体电池的过充电或过放电都将影响电池单体和电池组的使用寿命，甚至引发起火、爆炸等事故。因此，在多个单体电池串联使用时，不允许任何单体电池出现过充电和过放电的情况。此外，大量单体串联的锂离子电池组在使用过程中会出现单体端电压或SOC不一致的问题［7－8］。而电池组中能量最高的单体电池容量制约着电池组的充电容量，能量最低的单体电池容量制约着电池组的放电容量，以致随着电池充、放电循环次数的增加，整个电池组的充电容量和放电容量会越来越小［9］，最终导致电池组提前报废。因此，必须采取有效措施对串联的锂离子电池组进行能量均衡以提高电池组的充、放电容量，从而延长电池组的使用寿命。

1 现有均衡方法及其特点

根据均衡元器件的不同，现有的均衡器可以分为电阻均衡、电容均衡、电感均衡、LC均衡和变压器均衡等。其中，电阻均衡属于能耗均衡，而其它几种均属于非能耗均衡。电阻均衡，利用电阻直接消耗电池组中能量较高单体电池的不均衡电量使电池组达到均衡，该均衡方法能量损耗大［2］。电容均衡［10－13］，以电容作为能量载体，通过单体电池之间的电压差实现能量均衡，但由于电池间的电压差较小，所以均衡能量转移困难。电感均衡［1，14－16］，以电感为能量载体，均衡电流相对容易控制，但均衡器的性能最终由均衡电路结构和均衡策略共同决定，文献［14］中所提及的均衡器，便是以电感作为能量转换的媒介，以Buck-Boost电路为基础进行构建的，在一定程度上能改善各单体电池间的不一致性，提高电池组的充放电能量，但该均衡器的均衡电流断续，因此均衡速度受到限制。文献［1］和文献［16］中考虑了电池的工作状态，在电池的某种状态下均衡时均衡电流连续，但并非每种工作状态下的均衡电流都连续，因此均衡速度受到了限制。LC均衡［3，10，17］，通过 LC振荡电路来实现能量的转移，弥补了电容均衡电池之间电压差较小的缺点，该类均衡器开关频率较高、均衡电流断续、均衡电路控制复杂，均衡效率较低。变压器均衡［18－19］，主要以反激式变压器作为能量转移的载体，文献［18］和文献［19］中均衡电路的核心均是多次级绕组的双向反击式DC／DC转换器，均衡电流断续，且均衡能量不易控制，均衡效率低，均衡速度受到限制。

从均衡控制策略分析目前均衡器，主要存在以下问题：（1）未考虑电池的工作状态；（2）被均衡的单体电池的均衡电流或能量断续；（3）未考虑均衡电流对电池的影响。因而均衡器的性能在很大程度上受到限制。均衡电流连续和断续两种模式如图1所示。当以同一均衡电流峰值转移相同的能量时，电流连续模式所用的时间要短；当以相同的电流峰值在相同的时间内转移能量时，均衡电流连续模式可以转移更多的能量；当两者在相同时间转移相同能量时，均衡电流断续模式的峰值电流更大。连续模式的均衡电流稳定，能量转移效率高，均衡速度快，而尽管具有高电流峰值的断续电流也可以提高均衡速度，但是均衡电流不稳定、不易控制，同时增加了均衡电路的负担。另外，过大的均衡电流对蓄电池的使用寿命也是不利的。

图1 均衡电流工作模式

为实现大电流均衡而不影响蓄电池的健康状态，同时又可有效提高电池组的充、放电容量，本文中提出了一种基于Sepic-Zeta电路的动力电池组双向均衡器。根据电池组不同的工作状态采取不同的均衡控制策略，提出电池动态工作状态下降低电池能量变化率的原则选择均衡对象，实现均衡电流连续的电池组充电、放电和静置状态下的均衡。该均衡器拓扑电路原理简单、均衡电流易控且连续，通过控制均衡电流的大小，实现均衡速度的灵活控制，因此均衡速度快、均衡效率高。

2 均衡器拓扑结构与工作原理

2.1 均衡器拓扑结构

均衡器的拓扑结构如图2所示。其结构包括用于选通被均衡的单体电池的双向双层桥臂开关矩阵电路和均衡主电路。双向双层桥臂开关矩阵电路由上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率开关矩阵S组成。均衡主电路由电感L1、电感L2、电容C、电源E、两个带反并联二极管D1和D2的主控开关Q1和Q2构成。

图2 均衡器拓扑结构

2.2 均衡器工作原理

该均衡器以电感L1、L2和电容C为储能元件，根据电池组不同工作状态通过开关矩阵选择电池组中能量最高或最低的单体电池，分别对主控开关Q1或Q2进行PWM控制，其均衡电路等效为典型的Speic或Zeta斩波电路，均衡能量在单体电池和均衡电路之间可双向转移，被均衡单体电池的均衡电流均连续可控。

2.2.1 充电状态下电池组的均衡原理

电池组工作在充电状态时通过双向桥臂开关矩阵选择电池组中能量最高的单体电池，然后对主控开关Q1进行PWM控制，均衡主电路等效为典型的Speic斩波电路，且被选择的单体电池位于Speic斩波电路的输入端均衡放电，因此在整个PWM开关周期中均衡放电电流的连续、可控，被均衡的单体电池的充电电流减小，即能量变化率降低，从而整个电池组的充电容量得到有效、快速的提高。

在n个串联的单体电池组成的电池组中，当电池组在充电状态时，假设单体电池Cell i的能量最高。此时需要对Cell i进行均衡放电。此处所谓均衡放电，其实并非真正放电，而是在电池组其他电池进行充电的同时，将该单体电池单独接上均衡电路，减小该单体的充电电流，降低其充电速度，以达到均衡的目的。均衡电路为曲型的Sepic斩波电路，其原理如图3所示。通过控制开关矩阵中对应的放电开关N i2和S i2导通，使单体电池Cell i被选通，再对主控开关Q1进行PWM控制，且该单体电池位于斩波电路的输入端。当Q1处于导通状态时通过回路①、②使Cell i中的能量转移到电感L1中，同时电容C中的能量转移到L2中；当Q1处于断开状态时通过回路③、④使Cell i、L1、L2中的能量转移到可调电压源E中，同时对电容C充电。通过对主控开关Q1进行PWM控制实现对电池组中能量最高的第i个单体电池Cell i均衡放电控制，且均衡放电电流连续，均衡能量从单体电池Cell i向均衡器转移。

图3 电池组充电状态下的均衡原理

2.2.2 放电状态下电池组的均衡原理

电池组工作在放电状态时通过双向桥臂开关矩阵选择电池组中能量最低的单体电池，然后对主控开关Q2进行PWM控制，均衡主电路等效为典型的Zeta斩波电路，且被选择的单体电池位于Zeta斩波电路的输出端被均衡充电，因此在整个PWM开关周期中均衡充电电流连续、可控，被均衡的单体电池的放电电流减小，即能量变化率降低，从而整个电池组的放电容量得到有效、快速的提高。

在n个串联的单体电池组成的电池组中，当电池组处于放电状态时，假设单体电池Cell j的能量最低。此时需要对Cell j进行均衡充电。此处所谓均衡充电，其实并非真正充电，而是在电池组其他电池进行放电的同时，将该单体电池单独接上均衡电路，减小该单体的放电电流，降低其放电速度，以达到均衡的目的。均衡电路等效为典型的Zeta斩波电路，其原理如图4所示。通过控制开关矩阵中对应的充电开关N j1和S j1导通，使单体电池Cell j被选通，再对主控开关Q2进行PWM控制，且该单体电池位于斩波电路的输出端。在对Q2进行PWM控制的过程中，当Q2处于导通状态时，能量通过回路①、②由可调电压源E和电容C向Cell j转移，同时电感L1、L2储能；当Q2处于断开状态时，通过回路③使L2对电容C充电，通过回路④使L1中的能量转移到Cell j中。通过对主控开关Q2的PWM控制实现对电池组中能量最低的第j个单体电池Cell j均衡充电控制，均衡充电电流连续，均衡能量从均衡器向单体电池Cell j中转移。

图4 电池组放电状态下的均衡原理

2.2.3 静置状态下电池组的均衡原理

电池组在静置状态下，可以采用以上两种均衡控制策略中的一种，但为有效降低电池组中各单体电池间能量的不一致性，此时选择电池组中能量差异性最大的单体电池进行均衡放电或均衡充电，其对应的等效电路为Sepic或Zeta斩波电路。如果电池组中能量差异最大的单体电池的能量最高，则通过选通该单体电池的放电开关，同时对Q1进行PWM控制，均衡电路为Sepic斩波电路，其均衡原理同2.2.1节。如果电池组中能量差异最大的单体电池的能量最低，则通过选通该单体电池的充电开关，同时对Q2进行PWM控制，均衡电路为Zeta斩波电路，其均衡原理同2.2.2节。

3 均衡实验

3.1 实验平台

实验中，电池组是由5个串联的磷酸铁锂电池（LiFePO4）组成，单体电池额定电压为 3.2 V，额定容量为21 A·h。实验中均衡器的主控开关为IRF3205的低导通电阻的MOSFET，其静态漏 源极导通电阻为8 mΩ。使用μC-KGCFSH微电脑电池化成充放电电源对电池组进行充放电状态控制，通过DPO 3014数字荧光示波器观测PWM波及均衡电流波形。实验平台如图5所示，它除充放电电源、均衡器和示波器外，还包括直流驱动电源、可调电压源、电流传感器和电压传感器等设备。

图5 实验平台

3.2 均衡实验

在所搭建的实验平台上，先后进行电池组充电、放电和静置状态下的均衡实验，利用μC-KGCFSH微电脑电池化成充放电电源控制充、放电电流保持在10 A水平。电池组中单体电池Cell1～Cell5初始SOC值分别为20%、15%、10%、25%、30%。实验中通过记录均衡实验过程中各单体电池的SOC变化曲线分析均衡效果，而SOC值则根据单体电池端电压值和U-SOC曲线得到，即采用开路电压法对SOC进行估算。均衡实验前需要提取实验中所用到的磷酸铁锂电池的充、放电U-SOC曲线，然后拟合得到磷酸铁锂电池的U-SOC曲线。电池组充、放电状态均衡实验停止条件分别为：（1）在电池组充电状态下，若电池组中有任意一个单体电池SOC值接近（80±2）%时则停止电池组充电实验；（2）在电池组放电状态下，若电池组中有任意一个单体电池SOC值接近（20±2）%时则停止电池组放电实验。均衡停止条件为：在实验过程中具有最高SOC值的单体电池与具有最低SOC值的单体电池的SOC差值小于1%，则关闭均衡器停止对电池组均衡。

3.2.1 充电均衡实验

实验过程中选择电池组中SOC值最高的单体电池进行均衡放电。该单体电池被双向桥臂开关选通作为Speic斩波电路输入端而进行连续均衡放电，该单体电池的充电电流减小，直至该单体电池的SOC值与平均SOC值的差值在±1%范围内时停止对其均衡。此时若充电状态均衡实验过程仍未结束，则继续选择当前电池组中SOC值最高的一个单体电池进行均衡放电。均衡实验中，主控开关Q1的频率为 20.84 kHz，占空比为 63.33%。

实验中，首先选择电池组中SOC值最高的单体电池Cell5进行均衡放电，此时主控开关Q1的驱动电压PWM波和Cell5的均衡放电电流波形如图6所示，均衡电流平均值大约为2 A。

图6 驱动电压和均衡放电电流波形

均衡实验进行到第66 min时，单体电池Cell5的SOC值均衡到与平均SOC值的差值在±1%范围内，因此需要停止对该单体电池均衡放电，此时Cell1～Cell5的 SOC值分别为 68.85%、63.95%、58.20%、73.85%、66.20%，平 均 SOC 值 为66.21%。下一时刻选择电池组中SOC值最高的单体电池Cell4均衡放电，到第72 min时电池组达到充电截至条件，充电均衡实验结束时Cell1～Cell5的SOC值分别为 79.45%、73.25%、68.20%、80.55%、76.85%。均衡时间为72 min，均衡实验过程中各单体电池的SOC变化曲线如图7所示。

图7 充电均衡实验SOC变化曲线

3.2.2 放电均衡实验

以上述均衡实验结束时各单体电池的SOC值为初始值进行电池组放电状态下的均衡实验。实验过程中选择具有最低SOC值的单体电池进行均衡充电，该单体电池被双向桥臂开关选通作为Zeta斩波电路的输出端而被均衡充电，该单体电池的放电电流减小，直至该单体电池的SOC值与平均SOC值的差值在±1%范围内时停止对其均衡。此时若电池组放电状态均衡实验过程仍未结束，则继续选择当前电池组中具有最低SOC值的单体电池继续进行均衡充电。均衡实验中，主控开关Q2的开关频率为20.41 kHz，占空比为 45.72%。

实验中，首先选择电池组中SOC值最低的单体电池Cell3进行均衡充电，此时主控开关Q2的驱动电压PWM波和Cell3的均衡充电电流波形如图8所示，均衡电流平均值大约为2 A。

图8 驱动电压和均衡充电电流波形

均衡实验进行到第60 min时，单体电池Cell3的SOC值均衡到与平均SOC值的差值在±1%范围内，因此需要停止对该单体电池均衡充电，此时Cell1～Cell5的 SOC值分别为 31.80%、25.50%、30.85%、33.35%、29.65%，平均SOC值为30.23%。下一时刻选择电池组中SOC值最低的单体电池Cell2均衡充电，直到第66 min时达到停止放电实验条件，放电结束时 Cell1～Cell5的SOC值分别为27.50%、21.95%、25.35%、28.10%、24.30%。均衡时间为66 min。实验过程中各单体电池SOC变化曲线如图9所示。

图9 放电均衡实验SOC变化曲线

3.2.3 静置均衡实验

以上述均衡实验结束时各单体电池的SOC值为初始值进行电池组静置状态下的均衡实验。均衡实验过程中选择SOC值与平均SOC值差异最大的单体电池进行均衡充电或均衡放电，相应的均衡电路为Sepic或Zeta斩波电路。当被选择的单体电池SOC值均衡到与平均SOC值的差值在±1%范围内后，接着选择下一个需要被均衡的单体电池继续均衡，直到各单体电池间的SOC值最大差异降低到1%为止。

实验中，首先选择SOC值与平均SOC值差异最大的单体电池Cell2进行均衡充电，使Cell2作为Zeta斩波电路的输出端而被均衡充电。实验进行到第36 min时，被均衡单体电池Cell2的SOC值与平均SOC值的差值在±1%范围内，因此需停止对其均衡充电，此时Cell1～Cell5的SOC值分别为27.50%、26.75%、25.35%、28.10%、24.30%，平均 SOC值为26.40%。下一时刻选择电池组中SOC值差异最大的单体电池 Cell5进行均衡充电，实验进行到第54 min时，被均衡的单体电池Cell5的SOC值与平均SOC值的差值在±1%范围内，因此停止对其均衡充电，此时 Cell1～Cell5的 SOC值分别为 27.50%、26.75%、25.35%、28.10%、27.10%，平均 SOC值为26.96%。下一时刻选择SOC值差异最大的单体电池Cell3继续进行均衡充电，实验进行到第66 min时，被均衡的单体电池Cell3的SOC值与平均SOC值的差值在±1%范围内，因此停止对其均衡，此时Cell1～Cell5的 SOC值分别为 27.50%、26.75%、27.40%、28.10%、27.10%，平均 SOC值为 27.37%。下一时刻选择电池组中SOC值差异最大的单体电池Cell4进行均衡放电，实验进行到第72 min时，被均衡的单体电池Cell4的SOC值与平均SOC值的差值在±1%范围内，因此停止对其均衡，此时Cell1～Cell5的 SOC值分别为 27.50%、26.75%、27.40%、27.30%、27.10%，平均 SOC值为 27.21%。同时，各单体电池间的SOC值的最大差异低于1%，因此满足停止均衡条件，实验结束。均衡时间为72 min，静置均衡实验过程中，各单体电池的SOC变化曲线如图10所示。

图10 静置均衡实验SOC变化曲线

3.3 实验结果分析

实验结果分析中采用SOC值的方差衡量电池组各单体电池的一致程度。SOC值的方差越小，各单体电池的一致性越好；反之方差越大，各单体电池的一致性越差。

平均SOC值和SOC值的方差的计算公式为

式中：SOCav为平均SOC值；SOCi为第i个单体电池的 SOC值；δ2soc为SOC值的方差。

各单体电池的初始SOC值分别为20%、15%、10%、25%、30%，经过72 min的充电均衡实验，各单 体 电 池 的 SOC 值 变 为 79.45%、73.25%、68.20%、80.55%、76.85%，经计算，其方差 δ2SOC从50降为20.23。经过66 min的放电均衡实验后，各单 体 电 池 的 SOC 值 变 为 27.50%、21.95%、25.35%、28.10%、24.30%，其方差 δ2SOC降为 4.96。最后，经过72 min的静置均衡实验后，各单体电池的 SOC 值 变 为 27.50%、26.75%、27.40%、27.30%、27.10%，其方差 δ2SOC降为 0.07。各单体电池间最大SOC差值由20%降为0.75%。可见，经过均衡后，电池组中各单体电池的一致性得到有效提高。

实验过程中被均衡的单体电池的均衡电流波形如图6和图8所示，均衡电流稳定、连续，且容易控制。均衡实验中，均衡电流平均值为2 A，实际中根据单体电池的能量不一致程度及对均衡速度的具体要求，控制所需要的均衡电流大小，均衡电流越大，均衡速度就越大。均衡电流连续且可控，通过增加均衡电流可灵活提高均衡速度。

电池组在不同的工作状态下采取不同的均衡控制策略和均衡拓扑电路。充电均衡中，通过降低能量最高的单体电池的能量上升率来提高整个电池组的充电容量。放电均衡中，通过降低能量最低的单体电池的能量下降率来提高整个电池组的放电容量。在电池组的动态工作状态下，被均衡的单体电池能量变化率总是减小的，有利于电池的健康使用，同时均衡能量连续且可控。

4 结论

针对锂离子电池组的工作特性和工作状态，提出了一种基于Sepic-Zeta混合斩波电路的动力电池组双向能量均衡器。根据电池组所处的不同状态采取不同的均衡策略和均衡拓扑电路，当电池组处于充电状态时，选择电池组中SOC值最高的单体电池作为均衡对象进行均衡放电，此时均衡电路等效于Sepic斩波电路，且均衡对象位于Sepic斩波电路的输入端，因此均衡放电电流连续；当电池组处于放电状态时，选择电池组中SOC值最低的单体电池作为均衡对象进行均衡充电，此时均衡电路等效于Zeta斩波电路，且均衡对象位于Zeta斩波电路的输出端，因此均衡充电电流连续；当电池组处于静置状态时，选择电池组中能量差异最大的单体电池进行均衡充电或均衡放电。该均衡器及其相应的均衡策略可有效降低各单体电池之间的能量差异，均衡电流连续且可控，由于均衡电流连续，因此大的均衡电流容易实现，进而均衡速度可灵活调控。本文中搭建了锂离子电池组均衡实验平台，完成了均衡实验。实验结果表明，该均衡器和均衡策略可以有效提高电池组的充、放电容量，快速、稳定地减小电池组中各单体电池间的差异。此均衡器可以运用到锂离子电池电动汽车上，达到增加电动汽车续航里程、延长电池组使用寿命的目的。