一种串联锂离子电池二重能量高实效均衡器研究

刘红锐，郭奕旋，张开翔，钱 晶

(1. 昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明 650500； 2. 昆明理工大学 冶金与能源工程学院，云南 昆明 650000)

0 引 言

单体锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率小等特点，在电动汽车等领域应用广泛[1].由于单体锂离子电池标称电压在3.6 V左右，需要多个单体锂离子电池串联起来使用以满足电压需求.单体锂离子电池的过充或过放都会影响电池组的使用寿命，甚至会发生起火、爆炸等危险[2].在充电过程中，电池组中最先充满的单体电池将制约着整个电池组的充电容量；在放电过程中，电池组中最先放空的单体电池将制约着整个电池组的放电容量.如果不采取均衡措施，在反复多次充电和放电后，电池组内部串联单体电池间的不一致性会越来越大[3].电池均衡技术能够抑制串联单体电池间能量的不均衡，提高电池组的充电、放电容量[4].

1 均衡策略

根据均衡电路中的储能和耗能元件的不同，可分为电阻均衡器、电容均衡器、电感均衡器、LC均衡器和变压器均衡器等.电阻均衡器属于能耗型均衡器，均衡电流小，均衡效果不明显.电容均衡器[5-9]以电容作为能量转移的载体，通过单体电池间电压差均衡，而锂离子单体电池之间的电压差一般最大只有几百毫伏，考虑到开关器件的导通压降，均衡能量转移困难.电感均衡器[10-13]以电感作为储能元件，以电感电流变化进行能量均衡，均衡电流可控性强.LC均衡器[14-16]通过LC振荡电路实现能量均衡，在一定程度上弥补了电容均衡的缺点.变压器均衡[17]多数为反激式变压器均衡，由于变压器各窗口之间有磁隔离，容易实现高速均衡器，但变压器的绕制困难，均衡器的体积较大.

由于现有的均衡器很少根据电池的工作状态采取不同的均衡拓扑电路或均衡策略，普遍存在均衡速度较慢、控制复杂、均衡效率低等问题.例如：文献[5]提出的开关分流电压均衡方法，提高了电容均衡的效率，但均衡电路中开关器件多控制较为复杂；文献[13]提出一种新型的Boost均衡电路，在均衡过程中所有电池都可以作为升压输入，减小了开关损耗，但是均衡能量只能单向转移，均衡速度较慢；文献[16]的均衡器是级联式电池组均衡模块，将电池组中的相邻电池依次逐一比较，将强电池的能量经过电容，再逐步传递给弱电池，最后达到所有单体电池间的相互均衡，这种均衡器均衡电路控制复杂，均衡效率较低.

针对现有均衡器存在均衡策略单一、均衡速度较慢、控制复杂等问题，本文提出一种锂离子电池组二重能量高速均衡器，实现对电池系统各串联单体电池的分层分组均衡.第一重均衡实现所有电池单元内两个单体电池之间的均衡，第二重均衡是以电池单元为均衡对象，针对充电、放电和静置三种状态制定的不同均衡策略.该均衡器电路原理简单易实现，均衡速度快，能量转化效率高.

2 均衡器结构和工作原理

2.1 均衡器结构

本文所提出的均衡电路结构如图1所示，电池数量可根据实际应用情况来选取.对于m个电池组构成的电池系统，每个电池组包含n个电池单元Uij(i=1,2,…,m；j=1,2,…,n)，每个电池单元包含两个单体电池Cellix(x=1,2,…,2n)，均衡器由第一重均衡电路和第二重均衡电路构成.

图1 均衡器结构

2.1.1 第一重均衡电路

第一重均衡电路由若干个单元均衡模块A构成，每个单元均衡模块由两个开关Q和一个电感L构成(如图2所示).

图2 第一重均衡电路

2.1.2 第二重均衡电路

第二重均衡电路，由开关矩阵和均衡主电路构成.其中，开关矩阵由上桥臂双层功率开关矩阵Hij、下桥臂双层功率开关矩阵Sij构成；均衡主电路由主控开关M和N、反激变压器T、电容C和电压源E构成(如图3所示).

图3 开关矩阵和均衡主电路

2.2 均衡器工作原理

均衡器将串联的单体电池进行分层分组均衡，同时根据电池组不同的工作状态采取不同的均衡策略，通过对主控开关进行PWM (Pulse Width Modulation)控制来完成均衡能量的转移.

2.2.1 第一重均衡工作原理

如图4所示，第一重能量均衡时，通过单元均衡模块相应的主控开关Q控制，电感作为中间的储能元件，使两个单体电池通过电感来进行能量的转移，使能量高的单体电池的能量转移到能量低的单体电池中.所有均衡模块可以同时工作，相互独立，均衡时间只受能量差异最大电池单元的影响.

图4 第一重均衡原理图

一个开关周期T内单体电池放出的能量、能量损耗及能量转移效率η0分别为：

(1)

(2)

(3)

式中：t0on为某一均衡模块中主控开关的导通时间，u0为单体电池电压，i0为高能量电池放电电流，i1为流入低能量电池的电流，Ron为开关管的导通电阻，Vf为二极管的管压降.

2.2.2 第二重均衡工作原理

第二重均衡以电池单元作为均衡对象，分为充电、放电和静置三种状态均衡.静置均衡中，对被均衡的电池单元同时进行均衡充电或均衡放电.

1)均衡器在电池组充电状态下的工作原理

当电池组处于充电状态时，具体的工作原理为：以两个电池组为例，假设U11、U21分别为电池组1和2中SOC最高的电池单元.通过开关矩阵H11和S11、H21和S21选通需要被均衡的电池单元U11、U21，对主控开关M1、M2同时进行PWM控制，此时电池单元U11、U21进行均衡放电(如图5所示).

图5 充电状态下的均衡器工作原理

当M1、M2导通时，来自电池单元的能量通过回路①和②储存在反激变压器和电容中；当M1、M2关断时，储存在反激变压器和电容中的能量经回路③到电压源E中，通过电池组充电状态下的均衡策略，使每个电池组中能量最高的电池单元同时均衡放电.

充电均衡过程中，一个开关周期内电池单元放出的能量E、能量损耗Eloss及能量转移效率为η0：

(4)

(5)

(6)

式中：t1on为主控开关M1、M2的导通时间，i2为电池单元均衡放电电流，u1为电池单元电压.

现有的均衡器，均衡对象为单体电池，u1为单体电池的电压，而本文提出的均衡器均衡对象为两个串联单体电池组成的电池单元.增加能量回路中电池的数量使u1的值加倍，在公式(6)中通过增加E的值，从而提高充电状态下的能量转移效率.

2)均衡器在电池组放电状态下的工作原理

当电池组处于放电状态时，具体的工作原理为：以两个电池组为例，假设U12、U22分别为电池组1和2中SOC最低的电池单元.通过开关矩阵H12和S12、H22和S22选通需要被均衡的电池单元U12、U22，对主控开关N进行PWM控制，此时电池单元U12、U22进行均衡充电(如图6所示).

图6 放电状态下的均衡器工作原理

当N导通时，电压源E的能量通过回路①储存在反激变压器和电容中；当N关断时，储存在反激变压器和电容中的能量经回路②和③到电池单元中，通过电池组放电状态下的均衡策略，使每个电池组中能量最低的电池单元同时均衡充电.

放电均衡过程中，一个开关周期内电池吸收的能量E1及能量转移效率η2为：

(7)

(8)

式中：t2on为主控开关N的导通时间，i3为电池单元均衡充电电流，E2为电压源放出的能量.

本文提出的均衡器均衡对象为两个串联单体电池组成的电池单元，增加能量回路中电池的数量使u1的值加倍，在公式(8) 中通过增加E1的值，从而提高放电状态下的能量转移效率.

2.3 均衡器特点

本文所提出的均衡器有以下特点：

1)能量转移效率高.现有的均衡器能量转移回路中涉及一个单体电池和多个开关器件，这样能量回路中开关器件的管压降占单体电池电压的比例较高，能量转移效率难以提高.本文提出二重均衡策略，对串联电池组进行分层分组均衡，通过增加能量回路中单体电池的数量来提高均衡器的能量转移效率.

2)均衡速度快.第一重能量均衡实现各电池单元间的并行均衡，第二重实现各电池组间的并行均衡，加快均衡速度.

1.7 数据处理 （1）检出率（occurrence frequency，OF）=（某个种出现的土样数∕总土样数）×100%〔13〕。

3)控制上易实现.对于复杂的第二重均衡电路，每组只需对一个主控开关进行PWM控制，控制简单.

4)可拓展性强.该均衡器的均衡主电路以反激变压器作为能量传递的媒介，电压应力不随单体电池数量的增多而增大.增加电池的数量对均衡器的影响较小，可用于小型和大型的电池系统.

3 均衡实验

在均衡实验中，以实验室中现有的磷酸铁锂电池作为实验对象，选用8个串联磷酸铁锂电池分为2组，每组有2个电池单元.单体电池的额定电压为3.2 V，额定容量为21 Ah.均衡实验为SOC均衡，采用开路电压法通过E-SOC曲线来估算SOC值.

3.1 实验平台

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，反并联二极管型号为SS24，其导通压降为0.52 V.变压器初级侧和次级侧匝数比为1∶1∶1，初、次级侧的电感量均为12 μH，变压器效率约为85%.实验过程中使用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DPO3024数字荧光示波器观测PWM波及均衡电流波形实验平台(如图7所示)，还包括电流、电压探头等设备.

图7 实验平台

3.2 第一重均衡实验

第一重能量均衡的均衡实验停止条件：每个电池单元中的两个单体电池的SOC差值都小于1%.实验开始阶段，4个电池单元中8个单体电池的初始SOC分别为：8.6%、16.9%；13%、26.1%；22%、32%；19%、26%.在第一重均衡实验中，开关Q12的开关频率为16.39 kHz，占空比为62.15%.主控开关Q12的PWM波、高能量电池Cell12的放电电流i0电流波形和流入低能量电池Cell11的电流i1波形如图8所示.

图8 第一重均衡电流波形

均衡实验进行到60分钟时，8个单体电池的SOC分别为：10.4%、11%、16.3%、16.5%、24.3%、24.6%、20.6%、21%，每个电池单元中的单体电池之间SOC差值都在1%以内，第一重均衡实验结束.实验过程中8个单体电池SOC变化曲线如图9所示.

图9 第一重能量均衡SOC变化曲线

3.3 第二重均衡实验3.3.1电池组在充电状态下的均衡实验

以第一重均衡实验结束时各电池单元的平均SOC为初值，继续进行电池组在充电状态下的均衡实验.各电池单元的SOC初值分别为：10.7%、16.4%、24.45%、20.8%.电池组在充电的过程中，每次充电时间为6 min，充电电流为10A，若电池组中有任意一个单体电池SOC值在80%±2%时，则停止充电.选择每组SOC最高的电池单元进行均衡放电，至该单元接近平均4个电池单元的SOC时，继续选择每组SOC最高的电池单元进行均衡放电.

实验开始时，每组具有最高SOC的电池单元U12和U21同时进行均衡放电，主控开关M1的频率为60.60 kHz，占空比为23.72%.主控开关M1的PWM波、电池单元U12均衡放电电流i2波形如图10所示.

图10 充电状态下的均衡电流波形

图11 充电状态下电池单元SOC变化曲线

3.3.2 电池组在放电状态下的均衡实验

以初始容量分别为72.65%、76.15%、82.15%、76.35%的四个电池单元进行放电状态下的均衡实验.电池组在放电的过程中，每次充电时间为6 min，放电电流为10 A，若电池组中有任意一个单体电池SOC值在20%±2%，则停止放电.选择每组能量最低的电池单元进行均衡充电，至该单元接近平均SOC时，继续选择每组SOC最低的电池单元进行均衡充电.

实验开始时，每组具有最低SOC的电池单元 U11和U22同时进行均衡充电，放电均衡实验中，主控开关N的频率为57.14 kHz，占空比为22.37%.主控开关N的PWM波、电池单元U11均衡充电电流i3波形如图12所示.

图12 放电状态下的均衡电流波形

均衡过程中四个电池单元的 SOC 变化曲线如图13所示.均衡后各电池单元的SOC分别为20.05%、21.35%；23.85%、24.25%.

图13 放电状态下电池单元SOC变化曲线

3.3.3 电池组在静置状态下的均衡实验

以初始容量分别为20.05%、21.35%、23.85%、24.25%的四个电池单元进行静置状态下的均衡实验.实验过程中选择SOC值与平均SOC值差异最大的电池单元进行均衡放电或均衡充电.当被选择的电池单元SOC值均衡到平均SOC值的±1%时，继续选择下一个需要被均衡的电池单元均衡，直到各电池单元间的SOC值最大差异降低到±1%为止.均衡中四个电池单元的SOC变化曲线如图14所示.均衡后各电池单元的SOC分别为：23.25%、23.2%、23.85%、23.7%.

图14 静置状态下电池单元SOC变化曲线

表1 第一重均衡实验数据 Tab.1 Experimental data of first equilibrium 电池单元单体电池初始SOC均衡后SOC均衡时间U11Cell118.6%10.4%Cell1216.9%11%42minU12Cell1313%16.3%Cell1426.1%16.5%60minU21Cell2122%24.3%Cell2232%24.6%48minU22Cell2319%20.6%Cell2426%21%36min

4 实验结果分析

4.1 第一重能量均衡

第一重均衡中，所有均衡模块同时工作(如图9和表1所示)，总均衡时间进行60分钟，为单体电池Cell13和Cell14的均衡时间，因此第一重均衡时间只受均衡模块中能量差异最大的两个单体电池的影响.第一重能量均衡使每个电池单元中两个单体电池SOC差异均降低到1%以内.

对第一重均衡能量转移效率进行计算，由式(1) ～式 (3)得：

4.2 第二重能量均衡

第二重能量均衡过程中，四个单体单元的SOC初值分别为10.7%、16.4%、24.45%、20.8%(见表2).如图11所示，在电池组充电过程中对能量最高的电池单元同时进行均衡放电，减缓电池单元的SOC上升速度，延长了电池组的充电时间，整个电池组的充电容量得到了提高.同样地，通过图13所示，在电池组放电过程中对能量最低的电池单元同时进行均衡充电，延缓了电池单元SOC的下降速度，延长了电池组的放电时间，提高了整个电池组的放电容量.

对第二重均衡能量转移效率进行计算，电池组在充电状态时，由式(4)～式(6)求得在一个开关周期内均衡器的能量转移效率约为：

电池组在放电状态时，由式(7)～式(8)求得在一个开关周期内均衡器的能量转移效率约为：

表2 第二重均衡实验数据 Tab.2 Experimental data of second equilibrium % 电池单元初始SOC充电均衡放电均衡静置均衡U1110.773.6520.0523.25U1216.476.1521.3523.2U2124.4582.1523.8523.85U2220.879.3524.2523.7

如图10和图12所示，均衡电流连续可有效提高均衡速度，有利于电池的健康使用.在实际应用中，可根据电池间能量的不一致程度，通过改变主控开关的占空比来调整均衡电流的大小.经过第二重均衡后，电池单元的能量差异由最大的13.75%减小到0.65%，在进行反复的充放电均衡后，各电池单元的SOC值将达到一致.

5 结 论

本文提出一种锂离子电池组二重能量高速均衡器及二重均衡策略，对串联锂离子电池分层分组均衡，通过增加能量回路中单体电池的数量来提高均衡器的能量转移效率.第一重均衡以单体电池为均衡对象，实现各电池单元的并行均衡；第二重均衡以电池单元为均衡对象，实现各电池组的并行均衡，并行均衡使均衡速度提高.同时，电池在充电、放电、静置状态下采用不同的均衡策略，均衡速度进一步提高.通过对8个磷酸铁锂电池进行均衡实验，证明该均衡器能够快速、有效地降低各电池单元之间的能量差异，使电池充放电容量得到显著提高.该均衡器可拓展性强，既可用于小型的电池系统，又可用于电动汽车的车载动力电池以及风光蓄电池储能系统的均衡管理等大规模的电池系统.随着电力电子技术的发展，未来可选择损耗更小的开关器件，进一步提高均衡器效率.