改进的可重构均衡电路及控制策略研究

魏业文，解园琳，李 梅，吴希韬

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌 443002；2.智慧能源技术湖北省工程研究中心(三峡大学)，湖北宜昌 443002)

由于在生产过程中无法保证单体电池参数的一致性，并且电池在使用过程中会使得其差异逐渐增大，这会极大地降低电池组性能，提高电池组使用风险[1]。对锂离子电池组进行均衡可以在一定程度上缓解这些问题。传统的主动均衡电路都着眼于让电量在单体电池之间进行传递[2-4]。而可重构均衡电路通过动态地选择储能电池组中相应单体电池为负载供电，达到均衡的目的[5]。文献[6]通过实时控制相应每节单体电池的两个开关，进而对电池组进行均衡。文献[7]则是根据实际情况，动态地决定电池组中供电电池个数。上述方法均会导致负载电压出现不同程度的波动。文献[8]通过控制每一个DC-DC 变换器的电压变换比例，在实现电池均衡的前提下稳定电池组电压，但其成本较高。文献[9]考虑到整体结构，通过电池组的并联来减少开关的使用数目，但并没有从根本上解决可重构均衡电路的不足。

而在均衡方法方面，目前常用的均衡方法基本上都是当电池组中某节电池电压或SOC过高或过低时，均衡器便启动，对相应电池进行均衡。该方法非常简单,但是该方法的均衡效果却并不是很理想，因为这可能会导致电池均衡能量多次来回流动，导致均衡器做无用功。

本文拟在传统可重构均衡电路的基础上进行改进，利用均衡电源在电池均衡过程中或部分电池出现故障时维持负载端电压。此外，本文拟提出一种均衡方法，在电池处于不同状态下，调整需要均衡的电池，以降低均衡器做无用功的次数。

1 本文提出的均衡电路

本文所提出的均衡电路如图1 所示。

图1 均衡电路图

图1 中，均衡电源一般为多节电池组成，通过开关以及直流变换器的配合，为负载供电。在放电过程中，开关S3 以及与各单体电池串联的开关闭合，由储能电池组中所有单体电池为负载提供能量。当电池组中某单体电池电量较低，或出现故障必须退出运行时，再断开与其串联的开关，闭合与其并联的开关，使该单体电池退出运行。同时让均衡电源的相应开关闭合，代替退出运行的电池。同理，在充电时，可以通过让电量较高的单体电池退出充电过程，以实现电池均衡的目的。

为方便起见，对电路工作原理进行分析时，均默认均衡电源为一节与储能电池组同型号的单体电池。此时，直流变换器为升压变换器。

1.1 放电时工作原理分析

如图2 所示，当均衡电路正常工作时，与各储能单体电池串联的开关均闭合，储能电池组中所有单体电池均投入使用，而均衡电源此时并未投入使用。易知负载端电压U1如式(1)所示。

图2 正常放电时原理图

式中：Vi为第i节单体电池的端电压；n为电池组中单体电池个数。

假设需要对B1 电池进行均衡，本均衡电路工作原理图如图3 所示。

图3 对B1电池旁路

由于需要对B1 电池进行均衡，控制开关S11 断开而开关S12 闭合，B1 电池即退出运行。控制与均衡电源串联的开关S1 闭合，均衡电源代替B1 电池投入使用，以维持负载电压。在这种情况下，负载的端电压U2如式(2)所示。

式中：Va为均衡电源电压。由于均衡电源在此处为一节与储能电池组同型号的电池，故存在：

即满足：

此时负载端电压并不会因为B1 电池的退出运行而产生相应的波动。相应地，在这种情况下相较于使用升压变换器，在转换效率以及控制方便程度上都有较大的提高。

当需要断开储能电池组中多节电池时，控制开关S2 闭合，均衡电源通过升压变换器弥补退出运行电池所降的总电压。假设需要对B1 和B2 电池进行均衡，此时本均衡电路的工作原理图如图4 所示。

图4 对B1和B2电池旁路

同理，控制开关S11 和开关S21 断开，开关S12 和开关S22 闭合，B1 和B2 电池均退出运行。通过控制开关S2 闭合以及让升压变换器处于相应的工作状态，均衡电源即通过升压变换器为负载供电，此时负载端电压U3如式(5)所示。

式中：Vb为均衡电源通过升压变换器后的电压，此时亦满足式(6)。

在这种情况下，均衡电源所承担的电流是其他处于工作状态的单体电池电流的两倍。特别的，当更多电池退出运行时，升压变换器的变比会更大。此时不仅仅会导致转换效率有所降低，而且还会加大均衡电源所承担的电流，这会在某种程度上损害均衡电源。

值得注意的是当单体电池因为出现故障需要退出运行时，均衡电源会以不同的形式为负载供电，与在放电时对电池进行均衡相似，这里不再赘述。

1.2 充电时工作原理分析

对电池组进行充电时，其工作原理与电池组放电类似。若B1 电池电量稍高，均衡电源需要充电时，如图5 所示。

图5 B1电池断开时充电均衡原理图

此时，控制开关S11 处于闭合状态，开关S12 处于断开状态，使外部电源暂时不为其充电。控制与其余电池串联的开关以及S1 闭合。也就是说，电量低的电池处于充电状态，而电量较高的电池处于等待充电状态。以此在充电时对储能电池组中各单体电池进行均衡。

以恒流充电阶段为例，设电源充电电流为Ic，B1 电池的均衡时间t如式(7)所示。

式中：QB1为B1 电池的容量；ηc为其充电效率；ΔSOCB1为其需要均衡的SOC之差。在充电过程中，B1 电池的SOC值会逐渐趋向电池组SOC的平均值，实现充电过程中电池均衡的目标。

2 提出的控制策略

由于电池组内各单体电池性能服从正态分布[10]，若设定当电池组中单体电池SOC与平均SOC之差达到ΔSOCset，则启动均衡，那么可以将电池组中单体电池根据其SOC划分为放电过程中需要均衡的区域，不需要均衡的区域以及充电过程中需要均衡的区域，如图6 所示。

图6 本文提出的均衡策略的均衡区域划分

图6 中，将SOC较低的电池分类到放电过程中需要均衡的区域，是因为可重构均衡电路在放电过程中，可以很方便地通过减少该电池的放电时间，以实现电池均衡的目的，也就是说在放电过程中，可重构均衡电路可以对SOC较低的电池实现均衡。同理，在充电过程中，可重构均衡电路可以很方便地对电量较高的电池进行均衡。

在放电阶段，如图4 所示，放电过程中需要均衡的区域内单体电池会在相应时间断开，以间接增加相应单体电池SOC，故较低SOC的单体电池会逐渐趋近于电池组SOC的平均值。在多节电池被断开的时间内，均衡电源会通过升压变换器提供多倍的负载所需电流，而均衡电源的电流因此满足式(8)：

式中：Imax为均衡电源所能承受的最大电流。当电池组中存在可以均衡的电池时，可以适当对多节电池进行均衡，以加快均衡速度。

需要说明的是，在放电过程中，电池组的可用容量受限于电量最低的单体电池而不是电量较高的单体电池；充电过程中，电池组的可用容量受限于电量最高的单体电池而不是电量较低的单体电池。故本文所提出的控制策略，在充放电过程中只对电量较高或电量较低的单体电池进行均衡，同样实现了增加电池组可用容量的目的，即实现电池组均衡的目的。

3 实验结果分析

为证实所提出的均衡电路以及均衡方法的可行性，搭建实验平台进行实验。所使用的主控芯片为STM32F103，储能电池组为7 节ICR 单体电池串联组成，其容量为2 200 mAh，均衡电源为1 节与储能电池组相同的电池，直流变换器为升压变换器，负载使用滑动变阻器模拟。由于实验可以提供精确的初始SOC，并且测试时间一般不会超过半小时，基本上只持续几分钟，故使用安时积分法估算电池SOC。使用开发板自带的显示屏显示电池组电压，电流以及各电池SOC(state of charge)，实验平台如图7 所示。

图7 实验平台

3.1 均衡电路可行性验证

7 节储能电池中，电池1 至电池5 的初始SOC均为90%，电池6 和电池7 的初始SOC均为89%。均衡电源的初始SOC为90%。各电池SOC变化情况如图8 所示。

图8 电池SOC变化情况(使用升压变换器)

相应的，负载端电压变化情况如图9 所示。

图9 负载电压变化情况

若在电池组处于放电阶段，不使用升压变换器，则电池的SOC变化曲线如图10 所示。

图10 电池SOC变化情况(不使用升压变换器)

图10 中，由于电池6 和电池7 退出运行，为维持负载电压的稳定，均衡电源经过升压变换器代替退出运行的两节电池为负载供电。可以看到，除了电池6 和电池7 外，其余电池的SOC均逐渐下降。到约第100 s，电池1～电池5 的SOC已经降到89%。此时均衡电源退出运行，电池6 和电池7 开始为负载供电。

图10 中，由于没有使用升压变换器，放电开始阶段只有电池6 退出运行，到约第100 s，电池7 退出运行而电池6 为负载供电，直至约200 s，电池组达到均衡状态，均衡电源退出运行。

从图8 和图10 中可以看到，本文所提出的均衡电路与可重构均衡电路一样，可以较好地实现电池均衡的目的。图8中，由于在初始阶段，有两节电池退出运行，相较于图10，虽然其均衡时间较短，但其SOC的下降速率也明显比图8 的快，这是因为均衡电源所放出的电流更大。

从图9 中可以看到，在电池处于放电阶段，即使电池组处于均衡状态，负载的端电压并没有出现明显的跳跃或者时波动，证明本文所提出的均衡电路可以较好地稳定负载端电压。

3.2 均衡方法可行性验证

由于此处只是验证本文所提出的均衡方法的可行性，故不考虑均衡电源的SOC变化情况。设置7 节储能电池的初始SOC分别为82%，81%，80.5%，80%，79.5%，79%，78%。为简单起见，本实验只针对单节电池退出运行的情形，而不对复杂情况进行讨论。图6 中ΔSOCset参数设置为1%，在电池组处于放电过程中，使用传统的均衡控制策略时，实验结果如图11 所示。

图11 传统均衡策略实验结果图

由于电池组始终处于放电状态，从SOC最小的单体电池开始。各单体电池分别中断为负载供电过程，直至其SOC偏移值达到可接受范围以内。刚开始第7 节电池断开，在约第450 s，达到均衡所设条件而停止均衡，接着第6 节电池开始启动均衡，跟前面的电池一样，剩下的电池依次进行均衡，直至满足所设定的要求。

当采用本文所提出的均衡控制策略进行均衡时，实验结果如图12 所示。

图12 本文所提出方法实验结果图

在电池组放电阶段，电池7 因为电量较低需要被均衡，约在第150 s，第7 节电池的SOC达到设定的阈值，因此在放电阶段，其均衡目标已经完成。在充电阶段，除电池1 外，其余电池的SOC逐渐上升，在约第780 s，第1 节电池的SOC达到设定阈值。至此，电池组内所有的单体电池已经达到均衡状态。

相比较而言，两种策略都能较好地实现电池组均衡的目的，但前者需要对6 节单体电池进行均衡，均衡时间约1 300 s，而后者只需要对2 节单体电池进行均衡，均衡所用时间约300 s。本文所提出的控制策略放电时只需要考虑图6 中放电过程中需要考虑的均衡区域内的电池，而在充电时只需要考虑图6 中充电过程中需要考虑的均衡区域内的单体电池，而且由于该区域电池数目较少，故在均衡时较为方便。

4 结论

本文所提出的均衡电路，在传统可重构均衡电路的基础上，通过一个直流变换器与三个控制开关与均衡电源的配合使用，可以在电池组处于均衡状态下较好地维持负载端电压。本电路不仅仅保留可重构均衡电路在均衡过程中高灵活性和高转换效率的优点，而且附加成本较小。除此之外，还提出一种均衡方法，该方法充分利用可重构均衡电路的特性，在保证电池组均衡的前提下优化电池均衡数目。通过搭建实验证实所提出的均衡电路以及均衡策略具有可行性。