陳益廣，唐 林，沈勇環(huán)

（天津大學(xué)智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300072）

鋰離子電池以其標(biāo)稱(chēng)電壓高、比能量高、自放電率小、使用壽命長(zhǎng)和環(huán)境友好等特點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用[1-2]。鑒于應(yīng)用中對(duì)電壓等級(jí)的要求越來(lái)越高，通常將單體鋰離子電池以串并聯(lián)的方式組成電池組提高其電壓及容量。但是，由于制造工藝的缺陷以及原材料材質(zhì)的不均勻，各單元電池的容量和內(nèi)阻不可能完全一致。在充放電過(guò)程中，容量小內(nèi)阻高的單元電池會(huì)更快達(dá)到飽和或者更快耗盡電量；容量大內(nèi)阻低的單元電池則可能發(fā)生欠充或者不完全放電的情況[3]。單元電池間的不一致性會(huì)在很大程度上影響電池組的整體性能和安全。為了使電池組中各單元電池的容量在充放電循環(huán)過(guò)程中得到充分發(fā)揮，提高電池組的壽命，最為理想的手段就是在電池組充電時(shí)對(duì)各單元電池采取有效的均衡措施，保證充電完畢時(shí)所有單元電池的電壓基本一致[4]。

目前，主要有能耗型和非能耗型均衡充電方案。能耗型均衡充電方案通常令電壓較高的單元電池通過(guò)與之并聯(lián)的電阻放電，直到各單元電池電壓與電壓最低的單元電池一致[5]。能耗型方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制容易，但均衡效率低、發(fā)熱嚴(yán)重。非能耗型均衡方案包括Boost 分流法[6]、開(kāi)關(guān)電容法[7]、多線(xiàn)圈變壓器法[8]、Ramp 轉(zhuǎn)換法[9]等；歸納起來(lái)，部分方案是以電感或電容等儲(chǔ)能元件為核心，將電壓較高單元電池的能量通過(guò)儲(chǔ)能元件轉(zhuǎn)移到電壓較低的單元電池，部分方案則以變壓器元件為核心，利用變壓器進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。

本文提出了一種基于Boost-Buck 電路的新型均衡充電電路，以達(dá)到高速高效地均衡各單元電池間電量的目的。

1 基于Boost-Buck 電路的均衡充電電路

本文提出的基于Boost-Buck 電路的鋰離子電池組均衡充電系統(tǒng)構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 基于Boost-Buck 電路的均衡充電系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Equalization charging system structure based on Boost-Buck circuit

鋰離子電池組由n 只單元電池串聯(lián)組成，n 只單元電池陽(yáng)極和陰極分別通過(guò)n 個(gè)繼電器上的兩對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)與均衡充電主電路并聯(lián)連接，控制系統(tǒng)必須保證在每個(gè)時(shí)段僅能有一只單元電池與均衡充電主電路連接。由一臺(tái)先恒流后恒壓的直流電源為整個(gè)鋰離子電池組串聯(lián)充電。

基于Boost-Buck 電路的鋰離子電池組均衡充電系統(tǒng)的核心主電路部分可以簡(jiǎn)化為圖2 所示的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖2 基于Boost-Buck 電路的均衡充電電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Proposed equalization charging topology based on Boost-Buck circuit

主電路由利用繼電器切換的n 個(gè)單元電池，電感L 和電容C 兩種儲(chǔ)能元件，功率MOSFET 管M1、M2，與M1、M2 分別反并聯(lián)的肖特基快速恢復(fù)二極管D1、D2，必要的保護(hù)電路構(gòu)成。

單元電池間能量轉(zhuǎn)移時(shí)，均衡充電電路的工作狀態(tài)受電池組均衡充電控制管理模塊所控。均衡充電控制器通過(guò)對(duì)各單元電池的電壓進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算各單元電池間容量的差值，依據(jù)容量的差值、電容值、電容的預(yù)充電最大電壓以及均衡過(guò)程中電容電壓的波動(dòng)大小確定能量轉(zhuǎn)移策略；能量轉(zhuǎn)移時(shí)對(duì)電感電流和電容電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，依照控制策略控制功率MOSFET 管與相應(yīng)繼電器的通斷，改變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而完成各單元電池間電量的均衡。

2 基于Boost-Buck 電路的均衡充電原理

基于Boost-Buck 電路的均衡充電電路工作時(shí)進(jìn)行這樣幾個(gè)過(guò)程。首先，利用Boost 升壓電路由某一單元電池對(duì)電容預(yù)充電，經(jīng)過(guò)多次升壓充電，電容電壓uC達(dá)到幅值較高的預(yù)充電電壓值U0，較高的U0可以縮短均衡充電周期，提高系統(tǒng)效率。然后，對(duì)所有單元電池的電壓巡檢，依據(jù)單元電池電壓高低，確定各單元電池需要移出或移入能量次數(shù)。隨后，進(jìn)行各個(gè)單元電池之間的均衡充電過(guò)程，由電壓較高的單元電池向電壓較低的單元電池轉(zhuǎn)移能量。每次單元電池間的能量轉(zhuǎn)移都包括電壓較高的單元電池通過(guò)Boost 升壓電路向電容進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移和電容通過(guò)Buck 降壓電路向電壓較低的單元電池進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移兩個(gè)過(guò)程。一輪均衡充電過(guò)程完成后，再進(jìn)行新一輪的對(duì)電池組各單元電池電壓的巡檢以及能量轉(zhuǎn)移工作，直到電池組內(nèi)各單元電池的電壓基本一致，達(dá)到均衡充電要求。下面介紹單元電池i 向單元電池j 進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的工作過(guò)程。

2.1 單元電池移出能量工作過(guò)程

控制電壓較高的第i 只單元電池移出能量時(shí)，首先均衡充電控制器控制繼電器Si線(xiàn)圈得電，其兩對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)Si1和Si2閉合；然后，控制功率管M2飽和導(dǎo)通，單元電池i 的電源電壓Ei全部施加在電感上，單元電池i 放電，電感電流iL由0 上升，單元電池電能轉(zhuǎn)化為電感磁場(chǎng)儲(chǔ)能；當(dāng)iL升至單元電池允許放電最大電流值Imax1時(shí)，控制M2 關(guān)斷；M2關(guān)斷后，電感自感電壓迫使肖特基二極管D1 導(dǎo)通，單元電池i 和電感同時(shí)向電容充電，iL很快由Imax1降為0，電容電壓uC在幅值較高的預(yù)充電電壓U0的基礎(chǔ)上升至Um，單元電池電能和電感磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為電容電場(chǎng)儲(chǔ)能；iL一旦降為0，D1 截止，放電結(jié)束，電容保持在較高電壓Um不變。當(dāng)U0和電容的容量較大時(shí)，Um高出U0不多。控制繼電器Si線(xiàn)圈失電，第i 只單元電池移出能量控制工作結(jié)束。

電壓較高的第i 只單元電池能量移出時(shí)的工作電路實(shí)際上就是利用圖3 所示等效的Boost 升壓電路。圖中電阻R 為包括電池內(nèi)阻、電感內(nèi)阻、功率開(kāi)關(guān)管內(nèi)阻和導(dǎo)線(xiàn)電阻在內(nèi)的數(shù)值較小的等效電阻。

圖3 等效的Boost 升壓電路Fig.3 Equivalent circuit of the Boost process

M2 導(dǎo)通后，單元電池i 為電感充電時(shí)，若忽略電路中電阻，電感兩端電壓則為單元電池i 的電源電壓隨時(shí)間增大的規(guī)律為

當(dāng)iL由0 升至單元電池允許放電最大電流值Imax1時(shí)，所用時(shí)間為

從M2關(guān)斷，電路轉(zhuǎn)入升壓工作狀態(tài)開(kāi)始，直至iL降為0，升壓結(jié)束，uC由U0升至Um，由于電容已預(yù)充很高電壓U0，且電容容量較大，電容電壓uC變化不大。iL隨時(shí)間減小規(guī)律近似為

若近似認(rèn)為升壓過(guò)程中uC≈U0，當(dāng)iL由Imax1降至0 時(shí)，所用時(shí)間為

當(dāng)Ei?（U0-Ei）時(shí)，t1?t2。

由此可以看出，電容預(yù)充電電壓值U0越高，升壓過(guò)程越短，能量轉(zhuǎn)移效率越高。

忽略電路中電阻，Boost 升壓時(shí)電感電壓uL=uC-Ei，由上可知，uL?Ei。且單元電池為電容升壓充電時(shí)間極短，因此可認(rèn)為電容所獲得的能量基本上由電感磁場(chǎng)儲(chǔ)能轉(zhuǎn)換而來(lái)，即

由式（2）和式（5）可見(jiàn)，當(dāng)單元電池允許放電最大電流值Imax1、電容預(yù)充電電壓U0、電容充電能夠達(dá)到的最高電壓Um以及iL由0 升至Imax1所用時(shí)間t1確定后，電感量L 和電容量C 的大小也就隨之確定。

2.2 向單元電池移入能量工作過(guò)程

在確保繼電器Si線(xiàn)圈失電且其兩對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)后，開(kāi)始向單元電池j 移入能量的工作過(guò)程。首先，控制繼電器Sj線(xiàn)圈得電，Sj的兩對(duì)常開(kāi)觸點(diǎn)Sj1和Sj2閉合；然后，控制功率管M1 飽和導(dǎo)通，電容經(jīng)電感向單元電池j 充電，電感電流iL由0 反向快速增大，電容電壓uC由Um減小，當(dāng)uC減小至U0時(shí)，控制M1 關(guān)斷，此時(shí)iL達(dá)到反向電流最大值-Imax2。在電容放電過(guò)程中電容儲(chǔ)能除很小一部分轉(zhuǎn)化為單元電池j 儲(chǔ)能外絕大部分轉(zhuǎn)化成電感儲(chǔ)能。M1 關(guān)斷后，電感自感電壓迫使肖特基二極管D2 續(xù)流，電感繼續(xù)向單元電池j 充電，iL再由-Imax2降為0，電感儲(chǔ)能轉(zhuǎn)化為單元電池j 儲(chǔ)能。然后，控制繼電器Sj線(xiàn)圈失電，向單元電池j 移入能量過(guò)程結(jié)束。

向電壓較低的單元電池j 移入能量時(shí)的工作電路實(shí)際上就是利用圖4 所示等效的Buck 降壓電路，只是電流的實(shí)際方向與規(guī)定正方向相反。

圖4 等效的Buck 降壓電路Fig.4 Equivalent circuit of the Buck process

M1 導(dǎo)通后，電容經(jīng)電感向單元電池j 充電時(shí)，忽略電路電阻，iL隨時(shí)間反向增大的規(guī)律近似為

若近似認(rèn)為電容放電過(guò)程中uC≈U0，iL由0 反向升至反向電流最大值-Imax2時(shí)，所用時(shí)間為

從M1 關(guān)斷，D2 導(dǎo)通，由電感為單元電池j 充電時(shí)，iL隨時(shí)間反向減小的規(guī)律為

iL由-Imax2反向降至0 時(shí)，所用時(shí)間為

顯然，當(dāng)Ej?（U0-Ej）時(shí)，也有t4?t3。

忽略能量轉(zhuǎn)移時(shí)損耗，認(rèn)為Imax1≈Imax2時(shí)，t1≈t4，t2≈t3。

2.3 均衡電路的保護(hù)電路設(shè)計(jì)

電路中設(shè)置了（n+1）個(gè)快速熔斷器F1、F2、…、Fn和F（n+1）。當(dāng)出現(xiàn)某一繼電器線(xiàn)圈失電后其常開(kāi)觸點(diǎn)不能開(kāi)斷，而其他繼電器線(xiàn)圈得電常開(kāi)觸點(diǎn)閉合后造成單元電池間短路時(shí)，熔斷器將迅速熔斷，防止電池組出現(xiàn)惡性事故。

圖1 中的HA 為霍耳非接觸式電流傳感器。

圖2 中保護(hù)電路能夠防止由于故障或繼電器提前動(dòng)作電感產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)造成的損傷或隨之引發(fā)的其他惡果。保護(hù)電路包括由D4～D11 等二極管串聯(lián)構(gòu)成的支路，以及與該串聯(lián)支路反向并聯(lián)的二極管D3，這些串聯(lián)的二極管的正向?qū)ü軌航抵鸵葐卧姵氐淖罡唠妷焊咭恍?。在單元電池放電期間，若iL還不為0，已經(jīng)閉合的繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)突然打開(kāi)，則D3 導(dǎo)通續(xù)流；在向單元電池充電期間，若iL還不為0，已經(jīng)閉合的繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)突然打開(kāi)，則串聯(lián)的二極管導(dǎo)通。電感電流在各種情況下都有通路。

3 主電路元件參數(shù)的選取

本文選取的鋰離子電池標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V，最高電壓為4.2 V，容量為5.5 A·h。鋰離子電池建議最大充電電流為1 倍額定電流，最大放電電流為2倍額定電流。因此，電池組均衡充電電路允許通過(guò)的最大充電電流為1 倍額定電流。若電池組串聯(lián)充電直流電源以0.2 倍額定電流對(duì)電池組充電，則均衡充電電路為單元電池充電時(shí)的最大電流Imax2應(yīng)不超過(guò)5.5（1-0.2）=4.4 A。雖然單元電池放電最大電流值Imax1越大，電荷轉(zhuǎn)移越快，但是從安全方面考慮，取Imax1=3 A，此時(shí)，Imax2≤3 A。

由式（4）、（7）可知，單元電池充、放電最大電流值相同時(shí)，電容預(yù)充電電壓U0越大，單元電池能量轉(zhuǎn)移時(shí)電容充放電時(shí)間t2和t3越短，周期越短，效率越高。綜合考慮后，U0取50 V。

再根據(jù)電容可達(dá)到的最高電壓Um，由式（5）可確定電感量L 與電容量C 的大小。

鋰離子電池典型的荷電狀態(tài)SOC（state of charge）與開(kāi)路電壓OCV（open circuit voltage）的關(guān)系如圖5 所示。由圖可見(jiàn)，鋰離子電池的SOC 與OCV 間存在一定的聯(lián)系，通過(guò)鋰離子電池開(kāi)路電壓可以大致地判斷單元電池SOC，現(xiàn)用函數(shù)SOCi=f-1（Ei）來(lái)表示兩者關(guān)系。

由式（10）可知，每次單元電池間均衡充電，單元電池間轉(zhuǎn)移的電荷量就為電容電荷的變化量：

圖5 電池SOC 與OCV 的關(guān)系Fig.5 Relationship between the battery SOC and OCV

式中，ΔQC為每次均衡充電過(guò)程中單元電池轉(zhuǎn)移入或轉(zhuǎn)移出的電荷量。

完成各單元電池電壓檢測(cè)后，得到各單元電壓Ei（i=1，2，3，…，n），各單元電池需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移的次數(shù)ki為

式中：i=1，2，3，…，n；CN為鋰離子電池的額定容量。

根據(jù)式（11）可以通過(guò)對(duì)各單元電池狀態(tài)的監(jiān)測(cè)確定各單元電池間能量轉(zhuǎn)移策略。

4 仿真

由于均衡充電過(guò)程總是通過(guò)均衡電路在兩只單元電池之間進(jìn)行，因此只需對(duì)兩只單元電池間的均衡充電過(guò)程進(jìn)行仿真。仿真時(shí)認(rèn)為功率MOSFET 管和二極管為理想器件，具有良好的導(dǎo)通關(guān)斷特性，能在瞬間完成動(dòng)作。

仿真參數(shù)：電池標(biāo)稱(chēng)電壓為3.7 V，最高電壓為4.2 V，容量為5.5 A·h；L=0.02 H，C=470 μF，R=0.05 Ω，U0= 50 V，Imax1= 3 A；兩只單元電池初始SOC 分別為70%和80%；先恒流后恒壓直流電源的恒流充電電流為0.2 額定電流，恒壓充電電壓為8.3 V。

兩只單元電池均衡充電時(shí)，時(shí)間上經(jīng)歷了兩個(gè)多的能量轉(zhuǎn)移周期的電感電流及電容電壓波形如圖6 所示，兩只單元電池均衡充電過(guò)程中單元電池電壓變化曲線(xiàn)如圖7 所示。

圖7 兩個(gè)單元電池均衡仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of two batteries balancing

由仿真結(jié)果可知，兩只單元電池電壓同時(shí)上升，但是兩者的上升速率不同。均衡充電時(shí)電壓較低單元電池的充電電流更大，開(kāi)路電壓上升的更快，直到兩單元電池電壓一致，兩只單元電池轉(zhuǎn)入串聯(lián)充電。經(jīng)過(guò)大約10 min 的均衡充電控制，在串聯(lián)充電電源和均衡充電電路的雙重作用下，兩只單元電池電壓達(dá)到一致，起到了均衡效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在綜合現(xiàn)有鋰離子電池組均衡充電方案的基礎(chǔ)上提出了一種非能耗型均衡充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該均衡電路利用Boost 升壓電路先對(duì)電容進(jìn)行預(yù)充電，將電容電壓升高到較高預(yù)充電電壓值U0，之后再利用Boost-Buck 電路進(jìn)行各單元電池間的均衡充電。選擇較高的U0可以縮短均衡充電周期，提高系統(tǒng)效率。在不同應(yīng)用場(chǎng)合可以根據(jù)實(shí)際需求靈活改變電路參數(shù)以及適當(dāng)?shù)卣{(diào)整均衡策略都可以實(shí)現(xiàn)鋰離子電池組均衡充電目的。

[1]楊貴恒，王秋虹，曹均燦，等.現(xiàn)代電源技術(shù)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2]劉文霞，仇國(guó)兵，張建華，等（Liu Wenxia，Qiu Guobing，Zhang Jianhua，et al）.電動(dòng)汽車(chē)快速充電站需求分析與設(shè)備優(yōu)化方法（Method of demand analysis and equipment optimization in electric vehicle fast charging station）[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào)（Journal of Tianjin University）,2012，45（12）：1110-1115.

[3]王震坡，孫逢春，張承寧（Wang Zhenpo，Sun Fengchun，Zhang Chengning）.電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力蓄電池組不一致性統(tǒng)計(jì)分析（Study on inconsistency of electric vehicle battery pack）[J].電源技術(shù)（Chinese Journal of Power Sources），2003，27（5）：438-441.

[4]Kim Jonghoon，Shin Jongwon，Chun Changyoon，et al.Stable configuration of a li-ion series battery pack based on a screening process for improved voltage/SOC balancing[J].IEEE Trans on Power Electronics，2012，27（1）：411-424.

[5]Einhorn M，Rossler W，Conte F V，et al. Charge balancing of serially connected lithium-ion battery cells in electric vehicles[J]. Elektrotechnik and Informationstechnik，2012，129（3）：167-173.

[6]Moo Chin S，Hsieh Yao C，Tsai I S.Charge equalization for series-connected batteries[J]. IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems，2003，39（2）：704-710.

[7]Moreno J，Ortuzar M E，Dixon J W. Energy-management system for a hybrid electric vehicle using ultracapacitors and neural networks[J]. IEEE Trans on Industrial Electronics，2006，53（2）：614-623.

[8]Kutkut N H，Wiegman H L N，Divan D M，et al. Design considerations for charge equalization of an electric vehicle battery system[J]. IEEE Trans on Industry Applications，1999，35（1）：28-35.

[9]Lim Chang-Soon，Lee Kui-Jun，Ku Nam-Joon，et al. A modularized equalization method based on magnetizing energy for a series-connected lithium-ion battery string[J].IEEE Trans on Power Electronics，2014，29 （4）：1791-1799.