基于Buck-Boost 的锂离子电池组分层均衡研究*

徐元中，郭 纯，吴铁洲，徐思云

(湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068)

为解决燃油汽车尾气造成的环境污染、全球变暖等问题，全世界汽车都朝着新能源和电动化发展[1]。在新能源汽车领域，电池电源系统是整车的动力源泉，因此对电池电源系统的研究具有十分重要的意义[2]。由于单节锂离子电池的电压很小，一般需要将多个单体锂离子电池进行串、并联组合，这样才能得出符合相应功率需求和电压的锂离子电池组。受电池制造工艺的影响，同一批次生产的单体电池性能指标也可能存在差异，当这些单体电池串并联组成电池组投入使用后，随着使用次数的增加，电池组的不一致性将会体现得更加明显，这将导致容量较小的单体电池过充过放、容量较大的单体电池欠充欠放，造成能量的浪费，缩短电池组使用寿命，甚至可能会由于温度过高造成爆炸事故等[3-5]。电池组均衡可以减小电池组的不一致性，延长电池组的使用寿命，提高能量利用率，同时保障电池组能安全稳定地运行[6]。

均衡电路按照是否耗能可以分为两种类型，一个是能耗式均衡(即被动均衡)，另一个是非能耗式均衡(即主动均衡)。被动均衡是利用旁路电阻消耗高能量单体中多余的的能量从而达到均衡的目的，它的优点是结构简单且成本较低，其缺点是能量损耗大[7]。主动均衡主要是通过电容、电感、变压器、DCDC 变换器等非能耗式储能元件将高能量单体中多余的能量转移到低能量单体中从而达到均衡的目的。其中，将电感作为中间储能元件的均衡电路[8]，具有均衡电流大、电路易扩展等优点。文献[9]基于开关电感的Buck-Boost 电路，提出了自由成组分层均衡技术，该电路可以实现电池任意组合均衡，但存在大量的开关损耗，造成能量利用率低。文献[10]利用电感和反击式变压器设计了一种新型分层均衡拓扑结构，克服了传统电感只能实现相邻单体电池间均衡的弊端，但其缺点是变压器成本高且控制较复杂。文献[11]利用改进的Buck-Boost 结构，实现了从第一个单体电池和最后一个单体电池间的能量传递。文献[12]基于分层均衡电路提出了组内组间同时均衡和分层均衡这两种均衡策略，通过学习该文献为本文研究的分层均衡策略奠定了基础。

关于均衡控制策略，是指将均衡变量作为电池组是否达到一致的判断依据。均衡变量包括电压、电池剩余容量和SOC[13]。其中，将电压作为均衡变量是应用最早的一种均衡方式，虽然电压均衡简单实用，但电池端电压在使用的过程中受多种因素的影响，波动很大，因此该种均衡方法效果并不太理想。将电池实际剩余容量作为均衡判断依据，当电池剩余容量不同时，电池组内会存在部分单体电池出现过充过放现象从而损害电池性能。相比于前两者，电池的SOC 能更准确地反映电池的不一致性。

综上所述，为解决均衡电路中存在的均衡速度慢、均衡时间长等问题，本文结合开关电感法中Buck-Boost 结构和多分层拓扑结构，提出了一种基于Buck-Boost 电路的锂离子电池分层均衡技术，选用电池SOC 的值作为是否启动均衡系统的判断依据，对电池组进行分层分组，根据分组情况，设置每层均衡控制方法，采用逐层均衡策略，最终实现电池组均衡。

1 均衡电路及其原理

1.1 均衡电路

传统的单层均衡拓扑如图1(a)所示，其在进行电池组均衡时一般只在同一层次上相邻单体电池间进行能量传递，存在能量传输通道单一的问题。而双层均衡拓扑虽然解决了能量传输通道单一的问题，但是当电池组单体电池数量庞大时，需同时打开均衡器开关数多，这样会造成同一时刻大量的开关损耗，影响均衡速度。为提高均衡速度、缩短均衡时间，本文基于分层均衡策略的原理，提出了基于开关电感的Buck-Boost 分层均衡电路拓扑结构，如图2所示，它解决了同一时刻开关损耗大的问题，根据电池组实际情况，将电池组分为多层，采用逐层均衡的均衡策略，最终实现整个电池组均衡的目的。

图1 传统单层均衡与双层均衡拓扑图

图2 分层均衡拓扑图

1.2 均衡原理

本文选取了以Buck-Boost 变换器作为分层均衡电路的均衡器，它由两个MOSFET 开关与电感组成，其结构如图3(a)所示。分层均衡电路的第一层最小均衡单元如图3(b)所示，该均衡拓扑主要应用开关和电感协作完成能量转移。

图3 均衡器与最小均衡单元结构图

DC-DC 变换器有两种工作模式。第一种工作模式:电流连续导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)，如图4(a)所示。第二种工作模式:电流断续导通模式(Discontinuous Current Mode，DCM)，如图4(b)所示。为了避免出现电磁饱和现象，均衡模块将选择工作在电流断续导通模式，在此工作模式下，均衡器中电感可以在开关关断时间释放开关导通时所有吸收的全部能量。

图4 DC-DC 变换器的两种工作模式

图3 中iL1为流过电感L1的电流。当开关管导通时，电池给电感充电，此时电感电压为VC；当开关管断开时，电感给相应的电池充电，此时电感电压为Vd。VD为开关管的正向导通电压，Ron为通过开关管导通时的回路总电阻，Roff为通过开关管关断时的回路总电阻，T为一个开关周期。假设电池B1的能量高于电池B2，此时均衡过程可以分为2 个阶段:

第一阶段(0～ton):导通开关S1，关断开关S2，此时工作状态电路图如图5 所示。此时电池B1、开关管S1、电感L1形成回路，电池B1将多余的能量转移到电感L1上，电感将这些能量以磁能的形式保存起来，电感电流iL1增大。在该阶段中，电感L1的电压和电流如下式所示:

图5 第一阶段工作状态电路图

第二阶段(ton～T):当t＝ton时iL1达到最大值ip。将S1开关关断，此时工作状态电路图如图6 所示，电感L1通过续流二极管D2给电池B2充电，电感L1电流iL1减小。在该阶段中，电感L1的电压和电流如下式所示:

图6 第二阶段工作状态电路图

由于VD、Ron、Roff的值非常小，可忽略不计。当开关导通时，电感电流线性增加；当开关关闭时，电感电流线性减小。各阶段电感电流可以简化为:

式(7)中:D为占空比，T为开关周期。为了拓扑中均衡器都工作在DCM 模式下，即在td时刻电感电流下降为0，且td＜T。由此，推导出对应均衡器的占空比需要满足以下不等式:

控制开关管MOSFET 导通与关断的是PWM 信号，PWM 波的占空比直接影响着均衡速度，由电池均衡电路工作原理知，在电池间进行能量传递，当VC与Vd的比值最小时，此时计算出占空比D为最大值。

2 均衡分组

假设电池组共有N个单体电池，本文将电池组分为多层，并采用逐层均衡的方法。第一层:将电池组分成M个子模块，当N为偶数时，每个子模块由两个单体电池组成，当N为奇数时，除了落单的单体电池最近的子模块由三个单体电池组成，其他的均由两个单体电池组成。第二层:当M为偶数时，相邻的两个子模块和一个均衡器组成一个新的均衡单元；当M为奇数时，落单的子模块与相邻的子模块也会组成新的一个均衡单元；以此类推，经过层层递进最后达到均衡的目的。以电池组所包含的单体电池个数为8、9 为例，用图画的形式表达均衡分组情况，如图7 所示。

图7 电池组均衡分组情况

当电池组单体电池数目为8 时，第一层将电池组分为两两一组；第二层将相邻的两个子模块(包含两个单体电池)组合成新的一个子模块，这时可以分成四四一组；第三层将第二层四四分组的子模块用均衡器将其连接起来，组成一个新的均衡模块。

当电池组单体电池数目为9 时，第一层先将电池组分为两两一组，最后一组由3 个单体电池组成，即分布情况为2、2、2、3(其中2、3 均为每个子模块中包含单体电池的数目)；第二层将相邻的两个子模块重新组合成新的一个子模块，此时分布情况为:一组为2 与2 组合，另一组为2 与3 组合；由于第二层均衡完成以后前4 个电池性能基本一致，将这4个单体电池组成一个新的子模块，同理后5 个单体电池组成一个子模块，第三层将4 与5 用均衡器连接起来，进行能量传递，最后实现整个电池组均衡。

3 均衡控制策略

根据上述均衡分组情况制定相应的均衡策略，以单体电池SOC 作为均衡变量，采用平均值差值比较法和极差相结合的均衡方案，进行逐层均衡，均衡策略流程图如图8 所示。

图8 均衡策略流程图

均衡控制方法具体实现步骤如下:

①利用电流传感器、电压传感器和温度传感器对电池组电流、电压、温度等参数进行采集；

②电池组进行分层分组，并设置均衡阈值，采用卡尔曼滤波算法估计各单体电池Bi的SOC，查找到各子模块Mj中SOC 最大值SOCMax和最小值SOCMin的单体电池，并计算各子模块所包含单体电池SOC的平均值

③根据分组情况，进行逐层均衡。首先第一层，当两个相邻单体电池SOC 的差值超出均衡阈值时，开启第一层均衡，否则第一层均衡结束。第一层均衡完成，又满足第二层均衡开启条件，即当相邻两个子均衡模块SOC 的平均值的差值超出均衡阈值时，此时开启第二层均衡；当每个子均衡模块中单体电池SOC 的最大值与最小值的差值小于阈值时，第二层均衡结束。接下来均衡第三层，以此类推，层层递进。

④均衡100 s 后，停止均衡，回到步骤②；若SOC 的偏差值没有超出阈值，则均衡结束。

4 实验结果与分析

4.1 均衡实验

基于MATLAB/Simulink 仿真实验平台，分别选用8 节和9 节锂离子电池做了本文提出的分层均衡实验，其中用8 节锂离子电池做的仿真实验如图9所示，同时选用8 节锂离子电池分别做了传统单层均衡实验和双层均衡实验，如图10 所示，其中锂离子电池模型为实验平台MATLAB/Simulink 提供的电池(Battery)模块，设置锂离子电池的额定电压为3.7 V，上限截止电压为4.2 V，电感为200 μH，开关频率为8 kHz。

图9 分层均衡的仿真实验图

图10 传统均衡拓扑的仿真实验图

4.2 实验分析

选用8 节锂离子电池和9 节锂离子电池做了本文提出的分层均衡实验，同时还用8 节锂离子电池和9 节锂离子电池分别做了传统单层均衡实验和双层均衡实验来做对比。锂离子电池组各单体电池初SOC 的取值，如表1 所示。

表1 锂离子电池组各单体电池初始SOC

用8 节锂离子电池分别做了传统单层均衡实验、双层均衡实验和分层均衡实验，其均衡过程中各单体电池SOC 变化情况分别如图11(a)、图11(b)和图11(c)所示。

图11 采用8 节单体锂离子电池的实验结果图

采用8 节单体锂离子电池做均衡仿真实验，初始状态下，电池组SOC 的均值为81.87%，当电池组均衡后，其实验数据如表2 所示，本文分层均衡所用均衡时间比传统单层和双层均衡分别缩短了288.54 s 和44.86 s，均衡速度分别提高了86.86%和50.67%；根据各单体电池的SOC 初始值和已均衡时SOC 的平均值，可得本文分层均衡相较于传统单层和双层均衡，能量转移效率分别提高了13.65%和5.38%。

表2 采用8 节单体电池均衡实验数据

用9 节锂离子电池分别做了传统单层均衡实验、双层均衡实验和分层均衡实验，其均衡过程中各单体电池SOC 变化情况分别如图12(a)、图12(b)和图12(c)所示。

图12 采用9 节单体锂离子电池的实验结果图

采用9 节单体锂离子电池做均衡仿真实验，初始状态下，电池组SOC 的均值为80.78%，当电池组均衡后，其实验数据如表3 所示，本文分层均衡所用均衡时间比传统单层和双层均衡分别缩短了315.98s 和48.78s，均衡速度分别提高了84.08%和44.92%；根据各单体电池的SOC 初始值和已均衡时SOC 的平均值，可得本文分层均衡相较于传统单层和双层均衡，能量转移效率分别提高了21.3%和9.22%。

表3 采用9 节单体电池均衡实验数据

5 结论

本文针对锂离子电池组均衡过程中速度慢的问题，结合开关电感的Buck-Boost 电路和分层均衡原理，设计了基于Buck-Boost 分层均衡方案，实验结果表明，相比于传统单层和双层Buck-Boost 均衡电路，本文设计的分层均衡方案可以现实电池组在更短时间内达到均衡的目的，提高了均衡速度，同时也提高了均衡过程中的能量转移效率。