一种模块化的高性能蓄电池均衡器研究

刘红锐 李海瑞 韦向阳 钱 晶

一种模块化的高性能蓄电池均衡器研究

刘红锐1李海瑞1韦向阳1钱 晶2

（1. 昆明理工大学电力工程学院 昆明 650500 2. 昆明理工大学冶金与能源工程学院 昆明 650093）

目前蓄电池均衡器在均衡速度、均衡效率、可扩展性等性能上的表现参差不齐，往往顾此失彼。该文在兼顾高的均衡效率、快的均衡速度的同时实现均衡器的模块化，提出一种模块化的高性能蓄电池均衡器。均衡器采用分层并行均衡模式，由于每层均衡控制中并行均衡目标的数量最大，因此均衡速度快，且不受串联单体电池数量的影响。均衡器采用最短的能量路径，即能量路径中功率开关的数量最少，均衡效率高，另外，第一层采用带死区的互补脉冲宽度调制（PWM）控制，均衡效率进一步提升。均衡器采用模块化设计，包含第一层和第二层均衡模块，所需功率开关器件的额定电压低，且均衡器硬件及参数与蓄电池系统电压等级无关，因此当串联蓄电池数量增加时，只需增加相应的均衡器模块的数量，而均衡器硬件及参数一经确定将保持不变。模块化设计使均衡器易于扩展、应用范围广。理论分析和实验验证表明，该均衡器在均衡速度、均衡效率和模块化方面具有优势。

蓄电池 均衡器性能 均衡速度 均衡效率 模块化

0 引言

随着“碳达峰”、“碳中和”战略目标的提出，人类需要构建清洁低碳、安全有效的能源体系，实现能源的可持续发展，以风能、太阳能为代表的新型可再生能源得到了迅速发展。风能、太阳能发电存在间歇和随机性，直接大规模接入电网会给电网调度带来很大的困难，同时影响电网的安全稳定运行，蓄电池储能技术在间歇性新能源开发和利用中发挥着重要的作用。锂离子电池具有标称电压高、质量比功率高、自放电系数小、循环寿命长、无记忆效应等优点，在蓄电池储能系统上有良好的发展前景。锂离子单体电池标称电压在3.6 V左右，为满足不同规模储能系统的电压需求，需要几十个、甚至上百个单体电池串并联使用[1]。单体锂离子电池间存在性能差异，使串联使用的各个单体电池间出现端电压或能量不一致的问题，而在使用过程中需要保证串联的每个单体电池均不能出现过充电和过放电的情况，因此蓄电池系统的充放电容量受限于各单体电池，随着充放电循环次数的增加，串联单体电池间能量的不一致性加剧，蓄电池系统的充放电容量越来越低，循环使用寿命也随之缩短[2-3]。因此，必须采取有效的能量均衡措施提高蓄电池系统的充放电容量，延长循环寿命。

目前均衡方法主要分为被动均衡和主动均衡两种。充电旁路均衡和并联电阻均衡是两种典型的被动均衡，文献[4]采用MOSFET作为旁路开关。旁路均衡中每个串联的单体电池均有一个串联开关和并联开关，与串联单体电池数量相等的串联开关存在于正常的充放电回路中，一方面开关损耗大，另一方面要考虑串联开关器件的均压问题。另外大量的开关器件与单体电池串联，造成蓄电池系统供电的可靠性降低，因此该方法仅适用于串联单体电池数量较少的小型蓄电池系统。并联电阻均衡的电路简单、易实现，目前很多电池管理系统的芯片均采用该方案，如AD7280A、LTC6803、LTC6804等，但该方法的均衡电流小，且存在并联电阻的散热问题，因此均衡效果不理想。与被动均衡相比，主动均衡在节能和对能量的控制能力，以及均衡效果方面更具优势。

根据储能元件，主动均衡可分为电容、电感、变压器以及复合储能元件均衡，其中复合储能元件指包含多种储能元件。根据能量转移路径的特点，主动均衡又可分为迂回式、直达式和混合式三种。

迂回式均衡是指能量要经过其他电池或电池组才能从能量的发出者到达能量的吸收者，这样就存在某些电池或电池组在完成一次能量转移的过程中既要吸收能量，又要放出能量。文献[5-6]为电感均衡，能量路径为相邻单体向单体，是一种典型的迂回式均衡，要实现能量由单体电池B1向B4转移时，能量要经过两个电池中间的电池B2和B3。文献[7-8]为电容均衡，文献[9]为复合储能元件均衡，能量路径均为相邻多个单体向多个单体，属于一种特殊的迂回式均衡，要实现能量由单体电池B1向B4转移时，首先是电池B1、B2、B3先放电到储能电路中，然后再由储能电路将能量向电池B2、B3、B4释放。迂回式均衡的均衡效率低，均衡速度慢，且依赖串联蓄电池数量，串联蓄电池数量越多，能量路径越复杂，均衡效率越低，均衡速度也越慢，不适用于大规模蓄电池系统。

直达式均衡是指能量直接由发出者到达吸收者，与迂回式均衡相比，在均衡效率和均衡速度上的优势明显。根据具体能量路径的不同，直达式均衡又可进一步分为单体向电池组、单体向单体、多个单体向多个单体、多个单体向电池组四种形式。文献[10]为电感均衡，文献[11-12]为变压器均衡，文献[13-14]为复合储能元件均衡，以上均衡方法的能量路径均属于单体向电池组，均衡时仅有一个单体电池与电池组交换能量，均衡速度受串联单体电池数量的影响，串联单体电池数量越大，均衡速度越慢。文献[15]为变压器均衡，采用单体向单体的能量路径，均衡时有两个单体电池交换能量，与单体向电池组相比，均衡速度提升了一倍，但单体向单体的均衡方式仍然存在均衡速度受限于串联单体电池数量的问题。文献[16-17]均采用多个单体向电池组，具有较快的均衡速度，但由于单体电池能量路径中包含一个或多个二极管压降，导致两者的均衡效率低。

混合式均衡是指采用多种能量转移路径，有迂回式，也有直达式，或者多种迂回式、多种直达式。文献[18]采用直达式均衡中的多个单体向多个单体和多个单体向电池组两种能量路径，具有较快的均衡速度，但开关器件的额定电压与整个电池系统的电压等级相关，因此均衡器硬件及参数依赖电池系统电压。文献[19]采用直达式的单体向电池组和迂回式的相邻多个电池组向多个电池组，均衡速度和均衡效率均不理想。文献[20]采用迂回式的相邻单体向单体和直达式的单个电池组向多个电池组，均衡速度受限于串联单体电池的数量。文献[21]采用迂回式的相邻单体向单体和直达式的多个单体向多个单体，均衡速度有所提升，但仍受限于串联单体电池数量。

均衡效率表征均衡器对能量的转化率，均衡速度表征均衡器转移能量的快慢，模块化表征均衡器在面对各种应用场合时的通用性，它们是评价均衡器的重要参数。表1列出了参考文献涉及的几种典型均衡方法在均衡速度、均衡效率、可扩展性方面的对比。综上所述，目前均衡方法存在以下问题：

表1 几种均衡器性能参数对比

Tab.1 Comparison of performance parameters of several equalizers

（1）均衡器很难同时兼顾高的均衡效率和快的均衡速度。目前均衡方法，能量的发出者和吸收者均来自蓄电池系统，均衡器仅提供能量交换的路径，串联蓄电池数量越大，能量路径越复杂，复杂的能量路径成为制约均衡效率进一步提升的因素。目前均衡方法，有限的均衡目标数量成为制约均衡速度进一步提升的瓶颈，同时，均衡速度受限于串联蓄电池的数量。在均衡效率和均衡速度两个性能参数上，往往顾此失彼，很难做到同时兼顾高的均衡效率和快的均衡速度。

（2）均衡器的可扩展性不理想。可扩展性表征了均衡器在面对不同电压等级的蓄电池系统的应用场合时的通用性能。目前均衡器硬件及参数严重依赖蓄电池系统的规模，当具体的应用场合改变时，相应的均衡器硬件及参数需重新设计和选择，这将限制其在不同场合的应用和推广。

针对目前均衡技术上的问题，本文在兼顾高的均衡效率、快的均衡速度的同时实现均衡器的模块化，提出一种模块化高性能均衡器。均衡器采用分层并行均衡：每层均衡控制的并行均衡目标的数量达到最大，均衡速度不受串联单体电池数量的影响，均衡速度快；每层均衡控制的能量路径中功率开关的数量达到最少，能量路径最短，均衡效率高。同时，均衡器采用模块化设计，当蓄电池系统规模变化时，只需增减均衡器模块的数量，均衡器硬件及参数保持不变，同时均衡器仍然保持高的均衡效率和快的均衡速度。

1 均衡器拓扑结构与均衡原理

1.1 均衡器拓扑结构

图1 均衡器拓扑结构及工作原理

1.2 均衡器工作原理

1.2.1 第一层均衡工作原理

式中,为电感电流平均值；为Q11和Q12的导通电阻；为Q11和Q12反并联二极管的导通压降。

1.2.2 第二层均衡工作原理

第二层均衡通过BM-2模块实现各电池单元之间的能量均衡，根据整个电池组内部各电池单元间的能量不一致情况，有三种均衡模式。

图3 多目标并行放电均衡模式

图4 多目标并行充电均衡模式

模式3：多目标并行放电和多目标并行充电共存的均衡模式。选择多个能量高的电池单元并行均衡放电，同时，选择多个能量低的电池单元并行均衡充电，均衡原理如图5所示，该模式同时实现了多目标并行放电均衡模式和多目标并行充电均衡模式。多目标并行放电均衡模式的工作原理同模式1，多目标并行充电均衡模式的工作原理同模式2。

图5 多目标并行放电和并行充电均衡模式

第二层均衡的能量转移路径短，以电池单元为均衡目标，其电压值是单体电池的两倍，因此均衡效率得到大幅提升。均衡目标电压值翻倍，是第二层均衡效率提升的关键因素。

2 均衡器特点分析及参数计算

2.1 均衡器特点分析

本文提出的模块化高性能均衡器具有以下特点：

（1）均衡效率高。能量路径是影响均衡效率的关键因素，本文提出的两层均衡，均衡目标的能量路径中仅有一个开关器件，且不存在能量迂回现象，能量路径中开关数量最少，即能量路径最短。在最短的能量路径中，为进一步提高均衡效率，第一层均衡采用带死区的互补PWM控制方式，第二层均衡采用提高均衡目标的电压以降低能量路径中开关器件的导通压降占比的方式。

（2）均衡速度快。并行均衡目标的数量是影响均衡速度的关键因素，并行均衡的各目标在时间上是纵向排列实现的。本文提出的两层均衡，每层均实现了并行均衡目标数量的最大化，因此，均衡速度不受串联均衡目标数量的影响，均衡速度快。

（3）模块化设计。模块化特征决定了均衡器的可拓展性及拓展后均衡器性能参数、硬件参数的稳定性。均衡器性能参数包括均衡效率和均衡速度；硬件参数包括组成均衡器的所有硬件及参数，其中最重要的是开关器件的额定电压参数。每层均衡中的各均衡模块结构相同且相互独立，再加上最短的能量路径和数量最大的并行均衡目标，使均衡器具有高的均衡效率和快的均衡速度，且不受串联蓄电池数量的影响。均衡器中开关器件的额定电压的选择与串联单体电池的数量（整个电池系统的电压等级）无关，因此当蓄电池规模增大时只需增加均衡器模块的数量，开关器件的额定电压参数一经确定将保持不变。另外，均衡模块内部所有开关管的驱动电压均由电池单元电压或均衡电源提供，不需要外界驱动电源。

2.2 均衡器参数计算

2.2.1 第一层均衡模块参数计算

由式（5）可得到输入与输出电压的关系为

开关导通on期间，电感电流线性上升，电压方程可离散为

2.2.2 第二层均衡模块参数计算

第二层均衡模块中的参数主要涉及匝比、一次侧和二次侧的电感值以及占空比等的计算。每个均衡模块为一个双端反激式变压器电路，为防止磁心饱和，需工作在电流断续模式下。由于第二层均衡有三种模式，而每个模式中的各均衡模块电路结构相同，因此可采用其中一种模式进行设计，下面在模式1中计算变压器的参数。

二次侧MOS管承受的最大电压S为

根据式（12），一次侧电感P为

另外，变压器在工作时需要遵循磁通复位原则，即在开关管导通期间增加的磁通量要等于关断期间减少的磁通量。

导通期间的磁通增加量为

关断期间磁通的减少量为

由式（17）可求得最大占空比为

3 均衡实验

3.1 均衡器硬件参数

表2 均衡器硬件参数

Tab.2 Equalizer hardware parameters

3.2 实验平台与参数

本文搭建了8个磷酸铁锂电池（4个电池单元）的实验平台，如图6所示。单体电池的额定电压为3.2 V，额定容量21 A·h。8个单体电池的初始电压分别是3.306 V、3.262 V，3.239 V、3.285 V，3.120 V、3.152 V，3.136 V和3.084 V，单体电池间的最大电压差为222 mV。与荷电状态（State of Charge, SOC）和容量相比，单体电池的电压可以直接检测，因此本文采用电压作为均衡变量。

图6 实验平台

均衡实验参数见表3。实验中各单体电池的电压均由电池参数监测模块（LTC6803电压检测电路）所测，各种波形由示波器DPO3024捕获，除此之外，还包括电压探头、电流探头等设备。

表3 均衡实验参数

Tab.3 Balance experimental parameters

3.3 第一层均衡实验

图7互补PWM信号与电感电流波形

第一层均衡过程中各单体电池的电压变化曲线如图8所示，从图8中可以看出，各电池单元内部电压高的单体电池释放能量，电压低的单体电池吸收能量，最终两个电池之间的能量达到平衡。4个均衡模块的均衡时间分别是18 min、18 min、12 min和18 min，因此，第一层均衡时间为18 min。均衡结束后各单体电池的电压分别是3.281 V、3.282 V，3.261 V、3.260 V，3.135 V、3.134 V，3.109 V和3.109 V。

图8 第一层均衡各单体电池的电压变化曲线

3.4 第二层均衡实验

第二层均衡实验选择均衡模式3，此时，电池系统包含的4个电池单元均作为均衡目标同时并行均衡，其中，电池单元BU1、BU2并行放电，电池单元BU3、BU4并行充电。

图9和图10分别为实验过程中截取的电池单元BU1、BU2的放电电流波形和BU3、BU4的充电电流波形。为计算均衡模块的效率，实验过程中截取了电池单元BU2放电时二次电流波形和BU4充电时一次电流波形，如图11所示。

图9 均衡放电电流波形

图10 均衡充电电流波形

图11 BU2二次和BU4一次电流波形

第二层均衡过程中4个电池单元的电压变化曲线如图12所示，电池单元BU1和BU2并行放电，BU3和BU4并行充电，最终电压趋于一致。4个均衡模块的均衡时间分别是138 min、108 min、108 min、138 min、因此第二层均衡的均衡时间为138 min。均衡实验结束后，测得各单体电池电压分别是3.193 V, 3.194 V, 3.195 V, 3.194 V, 3.193 V, 3.195 V, 3.194 V和3.193 V，此时单体电池间的最大电压差为2 mV。

图12 第二层均衡各电池单元的电压变化曲线

3.5 实验结果分析

3.5.1 均衡器的模块化分析

现有其他均衡器，如文献[16-18]等涉及的均衡器，其开关器件的额定电压与电池系统电压等级相关，当串联单体电池数量增加时，所需开关器件的额定电压也要增加。而文献[18]涉及的均衡器，在3个串联锂离子电池均衡实验中，使用额定电压为100 V的MOSFET，当串联蓄电池数量增多时，其所用的MOSFET的额定电压将进一步增加。开关器件的额定电压与电池系统电压等级相关的均衡器，一方面当需要扩展使用时，均衡器硬件及参数需重新选择和计算；另一方面蓄电池系统规模越大，所需开关器件的额定电压越高，开关器件的价格和损耗也会相应增加。本文提出的均衡器真正实现了模块化，开关器件的额定电压低且固定不变，因此，均衡器易扩展，更适用于大规模蓄电池系统。

3.5.2 均衡器的均衡速度分析

本文提出的两层并行均衡，其并行目标数量达到最大，因此摆脱了串联单体电池数量对均衡速度的影响，均衡速度快。现有其他均衡器普遍存在均衡器速度受串联单体电池数量影响，即串联的单体电池数量越多，均衡速度越低。

3.5.3 均衡器的均衡效率分析

通过实验中的图表及相关参数，根据式（2）计算均衡器第一层的均衡效率为

以电池单元BU2为例，通过实验中的图表及相关参数，根据式（3）计算均衡器的第二层的均衡效率为

表1所列的目前几种典型的均衡方法中，文献[7]涉及的均衡效率最高，在4个串联单体电池的均衡实验中的均衡效率峰值为94.5%，由于该均衡方法属于迂回式均衡，因此均衡效率不稳定，很容易随串联单体电池数量增多而下降。本文提出的均衡器，由于能量路径最短，其均衡效率达到了97%和95%，另外，由于模块化特征，均衡效率不受串联单体电池数量的影响，均衡效率稳定。

4 结论

本文提出的模块化高性能均衡器：①采用分层并行均衡，均衡目标数量达到最大，从而摆脱了串联单体电池数量的影响，均衡速度快。均衡实验证明了在第一层和第二层均衡中，其并行均衡目标数量已达最大。②每层均衡的各均衡模块结构相同且相互独立，并且能量路径最短，均衡效率与串联蓄电池数量无关，均衡效率高且稳定。均衡实验中，第一层、第二层均衡效率分别达到97%和95%。③采用模块化设计，功率开关器件的额定电压低，均衡器硬件一经确定将保持不变，实现了均衡器硬件的模块化。实验中选择的开关器件的额定电压为20 V和40 V，额定电压低，且与串联蓄电池数量无关。本文真正实现了模块化的高性能均衡器，当蓄电池系统规模变化时，只需增减均衡模块的数量，均衡器硬件保持不变，同时均衡器兼顾高的均衡效率和快的均衡速度。

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Research on a Modular High Performance Battery Equalizer

Liu Hongrui1Li Hairui1Wei Xiangyang1Qian Jing2

（1. Faculty of Electric Power Engineering Kunming University of Science and Technology Kunming 650500 China 2. Faculty of Metallurgical and Energy Power Engineering Kunming University of Science and Technology Kunming 650093 China）

At present, the performance of battery equalizer is uneven in balance speed, balance efficiency and scalability, and often attends one thing and loses another. Although the peak of the balance efficiency reached 94.5%, the value was obtained under certain experimental conditions. When the experimental conditions changed, the value would decrease. The balance speed slows down with the increase of the number of series batteries because it is seriously affected by the number of series batteries. In addition, the hardware and parameters of the equalizer are heavily dependent on the voltage level of the battery system. When the number of series batteries changes, the hardware and parameters need to be re selected and calculated, which limits the scope of application of the equalizer. In view of the problems existing in the current equalizer, a modular high-performance equalizer while taking into account the high balance efficiency and fast balance speed is proposed in this work. When the number of series batteries increases, only the number of equalizer modules needs to be increased, the hardware and parameters of the equalizer remain unchanged, and the equalizer still has high balance efficiency and fast balance speed.

The following measures are taken to improve the balance efficiency: First, the shortest energy path is realized, that is, an energy path contains only one switching device, and the energy path is the shortest. Second, a new balance object with high voltage value is constructed, so that the proportion of the turn-on voltage drop of the switching device is reduced. To sum up, a layered balance strategy for different balance objects is proposed in this work. The first layer balance takes single battery as the balance object, and uses the shortest energy path. The second layer balance takes the battery unit as the new balance object, and uses the shortest energy path. In addition, the first layer balance adopts complementary PWM control with dead zone, which further improves the balance efficiency.

A multi-objective parallel balancing strategy is proposed on the base of the layered balance in order to effectively improve the balance speed. The number of parallel balancing targets directly determines the balance speed. The number of parallel balance targets reaches the maximum, that is, the number of balance targets is equal to the number of series balance objects. The number of parallel balance targets in the first layer balance, reaches the number of single batteries in series. The number of parallel balance targets in the second layer reaches the number of battery units in series. The balance speed is fast and not affected by the number of series batteries because the number of parallel balance targets reaches the maximum.

The equalizer adopts modular design, which determines the scalability of the equalizer and the stability of its performance parameters and hardware parameters after expansion. The performance parameters include balance efficiency and balance speed. The hardware parameters include all the hardware and parameters of the equalizer, among which the most important is the rated voltage parameters of the switching devices. Because of the same structure and independent equalization modules in each layer, the shortest energy path, and the maximum number of parallel balance targets, the equalizer has high balance efficiency and fast balance speed, and these superior performances are not affected by the number of series batteries. The selection of the rated voltage of the switching devices in the equalizer is independent of the voltage level of the entire battery system. Therefore, when the scale of the battery system increases, only the number of balance modules needs to be increased. Once the rated voltage parameters of the switching devices are determined, they will remain unchanged. The equalizer is easy to expand and has a wider application range because of the modular design.

The experimental platform with eight series batteries is built for balance experiments, which can verify the advantages of the equalizer in the three aspects of balance efficiency, balance speed and modularity. In the balance experiment, the number of balance targets reaches the maximum, the balance efficiency reaches 97% and 95.1%, the rated voltages of the switching devices are 20 V and 40 V, and the rated voltage parameters are fixed and are independent of the battery system voltage level. The balance experiment proves that the balance efficiency is high and the numerical value is stable, the balance speed is fast and is not affected by the number of series batteries. The modular design makes the equalizer easy to expand. When the scale of the battery system becomes larger, only the number of balance modules needs to be increased, and the hardware and parameters of the equalizer remain unchanged.

In the balance experiment, the number of balance targets is maximized, the balance efficiency is 97% and 95%, the rated voltage of the switching device is 20 V and 40 V, and the rated voltage parameters are fixed. The experimental result proves that the balance efficiency is high and the numerical value is stable, the balance speed is fast and is not affected by the number of series batteries. The modular design makes the equalizer easy to expand. When expanding the use, only the number of equalizer modules needs to be increased, and the hardware and parameters of the equalizer remain unchanged.

Battery, equalizer performance, balance speed, balance efficiency, modulation

TM912

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221212

国家自然科学基金资助项目（51967009）。

2022-06-23

2022-09-18

刘红锐 女，1982年生，博士，副教授，研究方向为电动汽车电池管理系统、动力蓄电池能量均衡。E-mail：liuhongr888@163.com（通信作者）

李海瑞 男，1997年生，硕士研究生，研究方向为电池管理系统和电池均衡技术。E-mail：1692107512@qq.com

（编辑 郭丽军）