集成均衡和保护功能的电池充放电电路

杨晓光，赵小兵，聂宝鑫，苏昱魁

(1.河北工业大学省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室，天津 300130；2.河北工业大学河北省电磁场与电器可靠性重点实验室，天津 300130)

锂电池已经广泛应用于各种储能系统中，如储能电站、不间断电源、电动汽车以及各类便携式电子设备等。在储能系统中必须配置均衡电路以克服串联单体不一致性所带来的负面影响[1-2]。

现有的均衡技术可分为被动均衡和主动均衡，主动均衡技术具有效率高和均衡速度快等优点，得到了广泛和深入的研究，目前已经提出了多种主动均衡技术。常见的主动型均衡技术可分为电容型、电感型和变压器型等等[1-3]。相比于其他均衡电路，选择开关技术具有均衡速度快、体积小和质量轻的优点。

均衡电路的选择需要根据具体应用从体积、质量、成本、均衡速度、复杂度和效率等几个方面进行评估[4-9]。

对于低功率便携式储能系统，应该优先选择体积小、质量轻、效率高以及均衡速度快的主动均衡电路。通过前文分析可知，选择开关技术可满足上述要求。选择开关技术在储能系统中的典型应用如图1 所示。

在低功率便携式储能系统中，除了均衡电路之外，一般还需要保护电路，如图2 所示。通过控制与电池组串联的两个MOSFET(S1和S2)能够实现过流保护、过压保护、欠压保护和短路保护[10]。

图2 采用保护电路的储能系统

在储能系统中，通过器件或电路的复用，将均衡电路集成到充/放电电路上，能够减少器件数量，简化系统，并节约成本[5-9,11]。其中，文献[5，9]将均衡电路和级联Buck-Boost 变换器(CBBC)进行了集成，从而简化了系统。级联Buck-Boost 变换器如图3 所示，可实现双向升降压，能够实现ZVS，已经获得了广泛的应用研究。

图3 级联Buck-Boost变换器

基于图1 所示的选择开关技术，图2 所示的保护电路以及图3 中所示的CBBC，本文通过复用技术，提出了一种集成充放电电路拓扑，简化了储能系统。该拓扑具有以下特点：(1)具有级联Buck-Boost 变换器的功能，能够实现ZVS 和最小导通损耗，整个集成变换器只有一个磁性元件，具有体积小和质量轻的优势；(2)串联单体之间具有非常小的SOC或/和电压均衡误差；(3)故障电池单体能够被旁路，提高了储能系统的可靠性和安全性；(4)具有均衡速度快和效率高的优势。

本文在第1 部分介绍了所提出的集成充放电电路的拓扑和工作原理；在第2 部分进行稳态特性分析，主要是均衡方法的分析；在第3 部分给出样机设计与测试结果，主要验证理论分析的正确性和测试电路的均衡特性；与其他类似电路的对比将放在第4 部分。

1 电路拓扑与工作原理

本文提出的集成充放电电路的拓扑如图4 所示，该拓扑是通过将选择开关网络、级联Buck-Boost 变换器和保护电路集成得到的。图4 中集成拓扑是通过复用技术实现的：(1)S3,i(i=1,2,3)的复用：S3,i和Sa,i(i=1,2,3)构成选择开关，S3,i又与S1、S2、S4以及电感L构成级联Buck-Boost 变换器；(2)级联Buck-Boost 变换器复用：级联Buck-Boost 变换器不仅是应用于串联储能串的充放电电路，也是应用于选择开关网络的DC-DC 变换器，参见图1；(3)S3,i(i=1,2,3)，Sa,i(i=1,2,3)，Sb,i(i=1,2,3)和Sc,i(i=2,3)构成的开关网络能够有效实现均衡和保护两种作用。

图4 所提出的电池充放电电路

需要说明的是，为了简化分析，本文只给出了应用于3 个电池单体的拓扑，但所提出的拓扑可以扩展到n个单体的应用。通过控制选择开关网络可以改变n个电池单体之间的串并联关系，也可以旁路任意一个或多个电池单体。表1 给出了三个单体所构成的电池组在运行过程中可能的重构方式。

表1 三个串联电池单体的可能重构方案

由表1 可知，由于电池组可重构，本文所提出的拓扑有两种均衡方式，旁路均衡和并联均衡。旁路均衡效率高、速度快，但是受电压测量误差和SOC计算误差的影响，均衡程度还有待进一步提高。电池并联时，电压高的电池单体的能量会自动转移到电压低的电池单体中实现电压均衡；但是，并联均衡只能应用于电压差较小的电池之间，否则由于瞬时均衡电流过大对较弱的电池单体造成冲击。

如上所述，通过控制选择开关网络能够旁路任意一个或多个电池单体实现均衡功能，当然也能旁路故障电池，实现有效的保护；另外，通过对比图4 和图2 可知，图4 中的S3,3和Sa,3能实现图2 中S1和S2相同的功能，即能够实现过流保护、过压保护、欠压保护和短路保护。上述保护功能通过控制相应的开关即可实现，相比之下，均衡充放电要复杂得多，因此本文主要对电路的均衡过程进行分析。

2 稳态分析

由表1 可知，本文所提出的拓扑能够灵活配置电池单体的串并联，实现不同的均衡方法。充/放电时根据不同的输入与输出电压等级及均衡方法，可以选择不同的电池重构均衡充/放方案。由于级联Buck-Boost 变换器充电与放电分析方法类似，并且图4 中的选择开关网络在充电和放电中的均衡控制方法也类似，因此本文只对均衡充电过程进行分析。

为了便于分析，分别用SOCB1(t0)、SOCB2(t0)和SOCB3(t0)表示电池单体B1、B2和B3在初始时刻电池的荷电状态，并假设：SOCB1(t0)＞SOCB2(t0)＞SOCB3(t0)，如图5 中的t0时刻所示。

图5 充电时电池单体的SOC和端部电压变化

假设在t0时刻之前，开关Sc,i处于闭合状态，开关Sa,i、Sb,i处于断开状态，电池单体B1、B2和B3串联。在t0时刻，将开关Sc,i由闭合变为断开状态，Sb,3和Sb,1由断开变为闭合状态，电池单体B1和B2被旁路，只有电池单体B3充电[如图6(a)所示]，这一状态一直持续到t1时刻。基于Thevenin 等效模型，由电池单体的端电压可估算出其OCV，电池等效模型及参数辨识的详细说明参见文献[12]。

图6 均衡充电过程的工作模态

在t1时刻，电池单体B3和B2实现了均衡，将Sb,3由闭合变为断开状态，开关Sc,3和Sb,2由断开变为闭合状态，电池单体B3、B2串联充电[如图6(b)所示]，在充电过程中B3和B2的SOC与B1的SOC逐渐趋于一致，直到t2时刻，三个电池单体的SOC达到了均衡。

在t2时刻，将开关Sb,1和Sb,2由闭合变为断开状态，将Sc,2由断开变为闭合状态，B1、B2、B3串联充电[如图6(c)所示]，一直持续到t3时刻任意一个电池单体的电压达到充电电压上限。

在t3时刻，Sc,i由闭合变为断开状态，Sb,i由断开变为闭合状态，Sa,i变为闭合状态，由此所有单体电池实现并联。三个电池并联，实施恒压充电，等效电路图如图6(d)所示。

在图5 中的t2～t3时间段，由于受电压测量误差和SOC计算误差的影响，均衡程度还有待进一步提高。在t3时刻电池并联，电压高的电池单体的能量会自动转移到电压低的电池单体中实现电压均衡。

3 实验结果

3.1 实验样机

本文制作了实验样机，关键器件和参数如表2 所示，其中电感L 和电容C 的设计方法参见文献[5]。变换器给电池组充电时输入电压Vin为12 V。三个电池单体构成电池组，电池单体型号为NCRT21700T，标称容量为4 800 mAh，标称电压为3.7 V，充电截止电压为4.2 V，放电截止电压为2.5 V，开路电压(open-circuit voltage,OCV)与SOC的测试结果如图7所示，详细测试方法参见文献[12]。

图7 所用锂电池OCV曲线测试结果

本文基于电感电流模型的建立，通过控制开关管S1和S3,i的占空比d1与d3以及二者之间的移相占空比的值dφ，实现了级联Buck-Boost 变换器所有开关工作于ZVS 状态并使得电感电流的有效值(RMS)达到最小，具体方法参见文献[5]。

图8 为电感电流有效值(RMS值)随移相占空比dφ的变化曲线，可以看出，当dφ＞0.1 时电感电流的RMS值快速增大。另一个需要考虑的问题是如果dφ取值太小，则会导致S3,i难以实现ZVS。本文中选择dφ=0.1。图9 为根据文献[5]中的方法得到的d1和d3的最优计算结果。

图8 电感电流RMS的计算结果

图9 变换器工作于ZVS并具有最小RMS条件下的控制变量d1和d3的计算结果

3.2 级联Buck-Boost 变换器特性验证

如前文所述本文所提出的集成充放电电路具有级联Buck-Boost 变换器的特性，本小节通过测试对其进行验证：

(1)样机的测试波形如图10 所示，与级联Buck-Boost 变换器工作于恒频混合单模式下的关键波形相吻合，参见文献[5]，验证了本文第1 部分理论分析的正确性。

图10 Vin=Vo=12 V情况下的实验波形

(2)此外，由图10 中的各个时间段T1、T2、T3和TS，根据式(1)可计算出开关管S1和S3,i的占空比d1与d3以及二者之间的移相占空比dφ[5]。

由图10 和式(1)可得到，d1=0.692，d3=0.688，dφ=0.108，与图9 中的计算结果相吻合，验证了计算的准确性。

(3)效率测试结果也能间接验证所提出的集成充放电电路具有级联Buck-Boost 变换器的特性。图11 给出了在Vin=12 V 与Vo=11 V 的条件下，样机的效率随不同负载电流变化的测试结果。在开关频率400 kHz 的条件下，变换器只有在软开关工作状态下才能获得如此高的效率。

图11 随不同负载电流变化的效率测试结果

3.3 均衡特性

基于表1 和图5，对所提出的集成充放电路进行均衡性能测试，在实验中电池单体恒流充电电流为2.5 A，恒压充电电压为4.2 V。均衡性能测试前，各电池单体的初始电压分别为：VB1=3.603 V、VB2=3.461 V、VB3=3.201 V；初始SOC分别为：SOCB1=38.6%，SOCB2=25.1%，SOCB3=10.4%。均衡充电过程如图12 所示，首先以2.5 A 给SOC最小的电池B3充电，当B3的SOC和B2的SOC达到均衡后，B2和B3串联充电，当B2和B3的SOC和B1的SOC均衡后，三个电池串联充电，直到任意一个电池单体的电压达到充电截止电压，开始恒压充电，并将B1、B2和B3并联。之所以在充电末端恒压阶段将电池单体进行并联是因为：由于受电压测量误差和SOC计算误差的影响，电池单体之间的均衡程度可能存在误差。根据锂电池的特性，在电池充电末期电池的OCV 能很好地反映其SOC，因此本文充电末期实施并联充电。此时，端电压高的电池单体的能量会自动转移到电压低的电池单体中实现电压均衡。在图12(b)中，恒流模式切换到恒压模式时，电池的电压发生突变，这是由于电池的内阻压降突变引起的。当电池的充电电流下降到0.15 A 时充电截止，各个电池单体的剩余容量分别为SOCB1=99.8%，SOCB2=99.9%，SOCB3=100.0%。

图12 充电均衡过程

4 对比分析

本文对所提出的集成均衡充放电电路与现有的类似拓扑进行对比分析，其中，均衡电路部分主要关注体积、成本、均衡速度、复杂度和效率，对比结果如表3 所示。通过比较发现，本文所提出的集成系统中的均衡电路没有单独的双向DC-DC 变换器，而是复用了充放电电路的级联Buck-Boost 变换器，因而可以认为本文中的均衡电路只包含选择开关网络，降低了均衡电路的成本、体积和复杂度。除此以外，本文所提出的集成充放电电路的均衡方法更加灵活，因而能够获得更好的均衡效果，并且集成了保护功能。

表3 与类似技术的比较

5 结论

本文提出了一种集成均衡和保护功能的电池充放电电路，均衡电路不需要单独的双向DC-DC 变换器，从而使得储能系统得到了简化；所提出的集成拓扑能够实现ZVS 运行和最小导通损耗，因而具有较高的效率；集成充放电电路只有一个交流电感，因而具有体积小和质量轻的优势，尤其适用于低功率的应用。

所提出的集成充放电电路能够实现串联储能单体之间的SOC均衡和/或电压均衡，具有均衡方法灵活并且均衡效果优良的优势。此外，所提出的电路能够旁路故障电池，提高了系统的可靠性。