基于可重构电路的锂电池组充电均衡研究*

于仲安 熊莹燕

（江西理工大学，赣州 341000）

主题词：锂电池 可重构均衡电路 Buck-Boost电路 均衡速度 能量转移效率

1 前言

锂电池因其自放电率低、放电电压平缓和对环境友好而被广泛应用于新能源汽车。多节锂电池串联使用时，由于电池间电化学特性存在差异，加之温度、电流等因素的影响，在电池组充电时，电池间容量、荷电状态（State of Charge，SOC）差异会逐渐增大，进而使串联电池组的容量不能充分使用，故需对串联电池组进行均衡处理。

电池主动均衡利用电感、电容以及开关电路控制电荷在电池之间转移。文献[9]采用Buck-Boost 相邻均衡控制电荷在电池之间转移，改善了电池SOC的不一致性，但是电荷只能在相邻电池间转移，需要多次转移才能使电池组达到均衡。文献[10]对传统Buck-Boost 均衡进行改进，使得能量可以在非相邻电池单体间传递，同时简化了电路，提高了均衡速度和能量转移效率。文献[11]通过对电池组采用先串后并的排列方式，分3个层次用Buck-Boost 电路对电池组进行逐层均衡，极大地改善了电池SOC 的不一致状态。但是文献[10]和文献[11]中的电荷在电池之间传输存在损耗，且损耗大小与电荷传输次数正相关。针对此问题，文献[12]利用可重构电路，通过开关控制电池接入或者隔离出电池组，改变电池单体的充放电时间，从而间接实现电池均衡，但是可重构电路均衡速度缓慢，并且只能在电池组工作时进行均衡。

为了缩短均衡时间，同时减少能量损耗，本文在开关电感的Buck-Boost电路基础上，结合可重构电路设计可重构Buck-Boost 均衡电路，并针对不同的电池SOC分布情况制定相应的均衡策略，使其充分利用均衡电路结构，同时基于MATLAB/Simulink搭建仿真模型对该均衡拓扑和均衡策略的均衡性能进行测试。

2 电路均衡拓扑及控制策略

2.1 开关电感的Buck-Boost均衡电路

开关电感的Buck-Boost 均衡电路是在传统Buck-Boost 电路基础上改进得到的，不仅可以实现相邻电池之间的均衡，也可以实现非相邻任意电池之间的均衡，其电路结构如图1a 所示，它利用电感的储能作用将电能转化为磁能存储，实现电荷的转移。图1a 将串联电池组分为层：第1层中电池两两一组进行组内均衡，均衡完成后，在第2层将均衡后的2个电池视为整体，再次两两分组，进行组内均衡，若当前层电池组不能刚好凑成两两一组，则落单组不参与本层均衡，而在下一层参与均衡。同一层的2个相邻组为一个均衡子电路。

图1 开关电感的Buck-Boost电路

均衡子电路工作原理如图1b 所示，电池模块可以是电池单体，也可以是连续的电池串。以电池模块1向电池模块2转移能量为例，其工作过程分为2个阶段：开关K、K和金氧半场效晶体管（MOS管）Q导通时，电流如图1b 中回路1 所示，此时电池模块1 向电感充电；MOS 管Q关断，开关K、K导通时，电流通过二极管D续流，回路如图1b中回路2所示，此时电感向电池模块2 充电。如此往复，通过控制开关的通断，可实现电池模块1和电池模块2之间的均衡。均衡电路按照层次依次进行电池均衡，最终实现电池组的整体均衡。

2.2 可重构电路

可重构电路通过将电池接入或者隔离出电路的方式控制各电池的充放电时间，从而实现电池均衡，以4节串联电池为例，电路结构如图2所示。

图2 可重构电路结构

假设4 节电池按SOC 由高到低依次编号为B、B、B、B，其充电均衡流程如图3 所示。改变B、B和B的连接状态，开关K、K、K断开，开关K、K、K闭合，如图3a 所示，此时B、B和B暂时被隔离出电路，B充电，直至B与B的荷电状态相同时，B重新接入电池组，如图3b 所示，而电池B和B仍处于被隔离状态。直至B、B、B的荷电状态相同时，B接入电池组，B被隔离，如图3c所示。最后，B～B的荷电状态相同时，B重新接入电池组。此时，电池组内所有电池荷电状态一致，所有电池同时充电。

图3 可重构电路充电均衡流程

由于可重构均衡电路是通过控制电池的充电时间实现电池均衡的，不存在电池之间的能量转移，所以几乎没有能量损耗，这也是传统的主动均衡难以实现的目标。

2.3 可重构Buck-Boost均衡电路

为了在保证电池均衡速度的前提下，尽量缩短电荷转移的路径，减少能量损失，通过结合开关电感的Buck-Boost 均衡电路与可重构均衡电路，设计可重构Buck-Boost 均衡电路，结构如图4 所示，该电路在开关电感的Buck-Boost均衡电路的基础上，通过在每个电池后串联继电器开关，使其在保持原有功能的基础上，电池可以被隔离出电路。

图4 可重构Buck-Boost均衡电路

2.4 可重构Buck-Boost充电均衡控制策略

均衡变量是表征电池不一致性的关键，可以选择采用电压或者SOC，由于电压均衡容易受到内阻不一致的影响而导致过均衡，所以本文选择电池SOC作为均衡变量。

为了更好地发挥可重构电路与Buck-Boost电路各自的优势，需要在不同的SOC分布情况下采用对应的均衡策略。假设电池组由个电池单体串联而成，存在5种工况。

2.4.1 工况1

分别用、表示电池组中单体最高、最低荷电状态。当电池组两端中任意一端的电池单体SOC过高，而其他电池SOC 相差不大时，即=或=，且-＞5%，|-S|＜5%,≠max时，均衡步骤如下：

a.将SOC 最高的电池隔离，其余(-1)个电池单体按照开关电感的Buck-Boost均衡电路进行均衡。

b.检测其余(-1)个电池单体的SOC 是否一致，若一致，则继续充电；否则返回步骤a。

c.当-＜0.2%时，停止均衡。

2.4.2 工况2

||＞5%，且|-S|＜0.2%,=2,3,4,…,-1，=，=时：将电池组分为3组，分别是C、C、C，其中C为SOC最大的电池单体，C由SOC最小的电池单体及其相邻的电池单体组成，C为剩余的电池组，3 组电池的SOC 为其组内单体的平均SOC，接着采取以下步骤进行均衡：

a.将C隔离，C内部通过Buck-Boost 电路进行相邻电池间的均衡。

b.检测C内部SOC是否一致，若一致且C的SOC与C的SOC 不相等时，电池组通过可重构电路进行均衡，否则转到步骤d。

c.当-＜0.2%时，停止均衡。

d.检测C的SOC 是否等于C的SOC，若相等，则隔离C和C，否则返回步骤a。

2.4.3 工况3

电池组两端的单体SOC明显高于其余单体SOC，且两端的电池SOC相差不大，其余电池单体的SOC 一致，即同时满足：

a.=或=。

b.-＞5%。

c.||≤5%。

d.|-S|＜0.2%,=2,3,4,…,-1。

此时将电池组分为3组，分别是C、C、C，其中C为电池SOC最高的电池单体，C为电池SOC最低的电池单体，C为剩余的电池组，接着通过控制开关将这3组电池隔离出或者接入电池组，从而实现C、C、C之间的均衡。

2.4.4 工况4

在电池B,B,B,…,B（为整数且3-2∈[-3,]）中，任意（∈[1,]）个电池单体的SOC偏高，其余电池单体相差不大，即-＞5%，|-|≤5%（∈[2,]且≠3-2）时，采取以下步骤进行均衡：

a.以B,B,B,…,B为节点将电池组分为组，将B,B,B,…,B隔离，其余电池单体之间通过Buck-Boost电路进行均衡。

b.检测相互均衡电池之间SOC 是否一致，若一致，则继续步骤c，否则返回步骤a。

c.电池组通过可重构电路进行均衡。

d.当-＜0.2%时，停止均衡。

2.4.5 工况5

除上述4种工况外，其他工况按照以下步骤进行均衡：

a.按照2.1 节中的方式将串联电池组分层，直到电池组被分为3 组或4 组，停止分层，并记录下层级数，前层通过Buck-Boost电路进行均衡。

b.判断第层电池的组数，若电池组被分为3组，继续执行，若电池组被分为4组，则进入情形2。

c.设3组电池分别为C、C、C，并将3组电池按照SOC 的大小排序，若C＞C且C＞C，则转到情形2，若C＞C＞C或C＞C＞C，则转到情形1。

情形1：隔离SOC最高的一组电池，其余2组电池通过Buck-Boost进行均衡，实时检测各组SOC，若C的SOC等于C的SOC或C的SOC等于C的SOC则转到情形2。

情形2：当-＜0.2%时，停止均衡，否则，继续按照Buck-Boost电路进行均衡。

d.当所有电池单体的SOC一致时，停止均衡。

电池组的均衡控制流程如图5所示。

图5 均衡控制流程

3 对比分析

在均衡过程中，电路损耗是导致均衡电路效率低的主要因素，其中包括开关损耗、电感损耗等，并且在能量多次转移时，能量损耗呈指数上升。能量转移效率的计算公式为：

式中，为低能量电池达到均衡时所吸收的能量；为高能量电池达到均衡时所释放的能量。

电池整组的能量损耗随着电荷转移的次数的增加呈指数上升：

本文所设计的均衡电路可以通过减少电池之间的电荷转移次数来减少能量损耗。

表1从均衡电路的开关数量、均衡速度、能量转移效率方面将本文设计的电路与Buck-Boost电路、开关电感的Buck-Boost 均衡电路进行了对比。与Buck-Boost 均衡电路相比较，本文拓扑的MOS管的数量更少，增加的继电器更容易控制，能够更好地实现物理断路，提高电路的可靠性。与开关电感的Buck-Boost均衡电路相比较，本文拓扑可以减少电荷转移路径数量，有利于减少能量在传输过程中的损耗，提高均衡速度与能量转移效率。

表1 不同拓扑结构对比

4 仿真与结果分析

基于MATLAB/Simulink 建立均衡电路仿真模型，将6 节锂电池串联连接，其中锂电池模型为MATLAB提供的电池（Battery）模块，标称电压为7.2 V，容量为5.4 mA·h，电感设置为0.1 H，脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）占空比设置为50%，MOS 管的内阻为10 mΩ，二极管的正向压降为0.8 V。

4.1 不同工况下的充电均衡仿真结果

将6 节电池串联，在不同工况下进行充电，各工况下的电池初始SOC 分布情况如表2 所示，2 种拓扑结构下均衡充电时SOC变化情况如图6～图10所示。

表2 不同工况下电池初始SOC分布

图6 工况1下均衡充电SOC变化情况

图7 工况2下均衡充电SOC变化情况

图8 工况3下均衡充电SOC变化情况

图9 工况4下均衡充电SOC变化情况

图10 工况5下均衡充电SOC变化情况

4.2 不同工况下的充电均衡仿真结果分析

由仿真结果可以得到在不同工况下2 种拓扑结构的均衡时间、能量转移效率及充电时间，如表3所示。

表3 不同工况下的均衡充电仿真结果对比

由表3可知：本文所设计的可重构Buck-Boost电路的能量转移效率与开关电感的Buck-Boost 电路相比明显提高，在不同工况下平均提高了19.0%；在均衡时间上，工况1 缩短了27.1%，工况2 与原电路时间相当，工况3～工况5 分别缩短了37.1%、19.9%和43.1%，均衡速度平均提高了25.4%。

由以上仿真结果可知，本文所提出的均衡拓扑结构以及均衡策略虽然稍微延长了整组电池的充电时间，但是大幅缩短了均衡时间，提高了能量转移效率，充分发挥了可重构电路以及开关电感的Buck-Boost 电路的优势，能够在保证均衡速度的基础上，减少电荷转移的路径，从而减少能量损失。

5 结束语

本文针对电池组充电过程中电池SOC 不一致的问题，结合开关电感的Buck-Boost 电路和可重构电路，设计了可重构Buck-Boost电路，提出了5种工况下的均衡策略，仿真结果表明，相比于开关电感的Buck-Boost 电路，所提出的均衡拓扑和均衡策略能够更快地实现电池均衡，并大幅提高能量转移效率。