劉紅銳 李海瑞 韋向陽(yáng) 錢 晶

一種模塊化的高性能蓄電池均衡器研究

劉紅銳1李海瑞1韋向陽(yáng)1錢 晶2

（1. 昆明理工大學(xué)電力工程學(xué)院 昆明 650500 2. 昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院 昆明 650093）

目前蓄電池均衡器在均衡速度、均衡效率、可擴(kuò)展性等性能上的表現(xiàn)參差不齊，往往顧此失彼。該文在兼顧高的均衡效率、快的均衡速度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)均衡器的模塊化，提出一種模塊化的高性能蓄電池均衡器。均衡器采用分層并行均衡模式，由于每層均衡控制中并行均衡目標(biāo)的數(shù)量最大，因此均衡速度快，且不受串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的影響。均衡器采用最短的能量路徑，即能量路徑中功率開關(guān)的數(shù)量最少，均衡效率高，另外，第一層采用帶死區(qū)的互補(bǔ)脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，均衡效率進(jìn)一步提升。均衡器采用模塊化設(shè)計(jì)，包含第一層和第二層均衡模塊，所需功率開關(guān)器件的額定電壓低，且均衡器硬件及參數(shù)與蓄電池系統(tǒng)電壓等級(jí)無(wú)關(guān)，因此當(dāng)串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量增加時(shí)，只需增加相應(yīng)的均衡器模塊的數(shù)量，而均衡器硬件及參數(shù)一經(jīng)確定將保持不變。模塊化設(shè)計(jì)使均衡器易于擴(kuò)展、應(yīng)用范圍廣。理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，該均衡器在均衡速度、均衡效率和模塊化方面具有優(yōu)勢(shì)。

蓄電池 均衡器性能 均衡速度 均衡效率 模塊化

0 引言

隨著“碳達(dá)峰”、“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，人類需要構(gòu)建清潔低碳、安全有效的能源體系，實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展，以風(fēng)能、太陽(yáng)能為代表的新型可再生能源得到了迅速發(fā)展。風(fēng)能、太陽(yáng)能發(fā)電存在間歇和隨機(jī)性，直接大規(guī)模接入電網(wǎng)會(huì)給電網(wǎng)調(diào)度帶來(lái)很大的困難，同時(shí)影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)在間歇性新能源開發(fā)和利用中發(fā)揮著重要的作用。鋰離子電池具有標(biāo)稱電壓高、質(zhì)量比功率高、自放電系數(shù)小、循環(huán)壽命長(zhǎng)、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)上有良好的發(fā)展前景。鋰離子單體電池標(biāo)稱電壓在3.6 V左右，為滿足不同規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的電壓需求，需要幾十個(gè)、甚至上百個(gè)單體電池串并聯(lián)使用[1]。單體鋰離子電池間存在性能差異，使串聯(lián)使用的各個(gè)單體電池間出現(xiàn)端電壓或能量不一致的問(wèn)題，而在使用過(guò)程中需要保證串聯(lián)的每個(gè)單體電池均不能出現(xiàn)過(guò)充電和過(guò)放電的情況，因此蓄電池系統(tǒng)的充放電容量受限于各單體電池，隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，串聯(lián)單體電池間能量的不一致性加劇，蓄電池系統(tǒng)的充放電容量越來(lái)越低，循環(huán)使用壽命也隨之縮短[2-3]。因此，必須采取有效的能量均衡措施提高蓄電池系統(tǒng)的充放電容量，延長(zhǎng)循環(huán)壽命。

目前均衡方法主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩種。充電旁路均衡和并聯(lián)電阻均衡是兩種典型的被動(dòng)均衡，文獻(xiàn)[4]采用MOSFET作為旁路開關(guān)。旁路均衡中每個(gè)串聯(lián)的單體電池均有一個(gè)串聯(lián)開關(guān)和并聯(lián)開關(guān)，與串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量相等的串聯(lián)開關(guān)存在于正常的充放電回路中，一方面開關(guān)損耗大，另一方面要考慮串聯(lián)開關(guān)器件的均壓?jiǎn)栴}。另外大量的開關(guān)器件與單體電池串聯(lián)，造成蓄電池系統(tǒng)供電的可靠性降低，因此該方法僅適用于串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量較少的小型蓄電池系統(tǒng)。并聯(lián)電阻均衡的電路簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，目前很多電池管理系統(tǒng)的芯片均采用該方案，如AD7280A、LTC6803、LTC6804等，但該方法的均衡電流小，且存在并聯(lián)電阻的散熱問(wèn)題，因此均衡效果不理想。與被動(dòng)均衡相比，主動(dòng)均衡在節(jié)能和對(duì)能量的控制能力，以及均衡效果方面更具優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)儲(chǔ)能元件，主動(dòng)均衡可分為電容、電感、變壓器以及復(fù)合儲(chǔ)能元件均衡，其中復(fù)合儲(chǔ)能元件指包含多種儲(chǔ)能元件。根據(jù)能量轉(zhuǎn)移路徑的特點(diǎn)，主動(dòng)均衡又可分為迂回式、直達(dá)式和混合式三種。

迂回式均衡是指能量要經(jīng)過(guò)其他電池或電池組才能從能量的發(fā)出者到達(dá)能量的吸收者，這樣就存在某些電池或電池組在完成一次能量轉(zhuǎn)移的過(guò)程中既要吸收能量，又要放出能量。文獻(xiàn)[5-6]為電感均衡，能量路徑為相鄰單體向單體，是一種典型的迂回式均衡，要實(shí)現(xiàn)能量由單體電池B1向B4轉(zhuǎn)移時(shí)，能量要經(jīng)過(guò)兩個(gè)電池中間的電池B2和B3。文獻(xiàn)[7-8]為電容均衡，文獻(xiàn)[9]為復(fù)合儲(chǔ)能元件均衡，能量路徑均為相鄰多個(gè)單體向多個(gè)單體，屬于一種特殊的迂回式均衡，要實(shí)現(xiàn)能量由單體電池B1向B4轉(zhuǎn)移時(shí)，首先是電池B1、B2、B3先放電到儲(chǔ)能電路中，然后再由儲(chǔ)能電路將能量向電池B2、B3、B4釋放。迂回式均衡的均衡效率低，均衡速度慢，且依賴串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量，串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量越多，能量路徑越復(fù)雜，均衡效率越低，均衡速度也越慢，不適用于大規(guī)模蓄電池系統(tǒng)。

直達(dá)式均衡是指能量直接由發(fā)出者到達(dá)吸收者，與迂回式均衡相比，在均衡效率和均衡速度上的優(yōu)勢(shì)明顯。根據(jù)具體能量路徑的不同，直達(dá)式均衡又可進(jìn)一步分為單體向電池組、單體向單體、多個(gè)單體向多個(gè)單體、多個(gè)單體向電池組四種形式。文獻(xiàn)[10]為電感均衡，文獻(xiàn)[11-12]為變壓器均衡，文獻(xiàn)[13-14]為復(fù)合儲(chǔ)能元件均衡，以上均衡方法的能量路徑均屬于單體向電池組，均衡時(shí)僅有一個(gè)單體電池與電池組交換能量，均衡速度受串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的影響，串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量越大，均衡速度越慢。文獻(xiàn)[15]為變壓器均衡，采用單體向單體的能量路徑，均衡時(shí)有兩個(gè)單體電池交換能量，與單體向電池組相比，均衡速度提升了一倍，但單體向單體的均衡方式仍然存在均衡速度受限于串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的問(wèn)題。文獻(xiàn)[16-17]均采用多個(gè)單體向電池組，具有較快的均衡速度，但由于單體電池能量路徑中包含一個(gè)或多個(gè)二極管壓降，導(dǎo)致兩者的均衡效率低。

混合式均衡是指采用多種能量轉(zhuǎn)移路徑，有迂回式，也有直達(dá)式，或者多種迂回式、多種直達(dá)式。文獻(xiàn)[18]采用直達(dá)式均衡中的多個(gè)單體向多個(gè)單體和多個(gè)單體向電池組兩種能量路徑，具有較快的均衡速度，但開關(guān)器件的額定電壓與整個(gè)電池系統(tǒng)的電壓等級(jí)相關(guān)，因此均衡器硬件及參數(shù)依賴電池系統(tǒng)電壓。文獻(xiàn)[19]采用直達(dá)式的單體向電池組和迂回式的相鄰多個(gè)電池組向多個(gè)電池組，均衡速度和均衡效率均不理想。文獻(xiàn)[20]采用迂回式的相鄰單體向單體和直達(dá)式的單個(gè)電池組向多個(gè)電池組，均衡速度受限于串聯(lián)單體電池的數(shù)量。文獻(xiàn)[21]采用迂回式的相鄰單體向單體和直達(dá)式的多個(gè)單體向多個(gè)單體，均衡速度有所提升，但仍受限于串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量。

均衡效率表征均衡器對(duì)能量的轉(zhuǎn)化率，均衡速度表征均衡器轉(zhuǎn)移能量的快慢，模塊化表征均衡器在面對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)的通用性，它們是評(píng)價(jià)均衡器的重要參數(shù)。表1列出了參考文獻(xiàn)涉及的幾種典型均衡方法在均衡速度、均衡效率、可擴(kuò)展性方面的對(duì)比。綜上所述，目前均衡方法存在以下問(wèn)題：

表1 幾種均衡器性能參數(shù)對(duì)比

Tab.1 Comparison of performance parameters of several equalizers

（1）均衡器很難同時(shí)兼顧高的均衡效率和快的均衡速度。目前均衡方法，能量的發(fā)出者和吸收者均來(lái)自蓄電池系統(tǒng)，均衡器僅提供能量交換的路徑，串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量越大，能量路徑越復(fù)雜，復(fù)雜的能量路徑成為制約均衡效率進(jìn)一步提升的因素。目前均衡方法，有限的均衡目標(biāo)數(shù)量成為制約均衡速度進(jìn)一步提升的瓶頸，同時(shí)，均衡速度受限于串聯(lián)蓄電池的數(shù)量。在均衡效率和均衡速度兩個(gè)性能參數(shù)上，往往顧此失彼，很難做到同時(shí)兼顧高的均衡效率和快的均衡速度。

（2）均衡器的可擴(kuò)展性不理想。可擴(kuò)展性表征了均衡器在面對(duì)不同電壓等級(jí)的蓄電池系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合時(shí)的通用性能。目前均衡器硬件及參數(shù)嚴(yán)重依賴蓄電池系統(tǒng)的規(guī)模，當(dāng)具體的應(yīng)用場(chǎng)合改變時(shí)，相應(yīng)的均衡器硬件及參數(shù)需重新設(shè)計(jì)和選擇，這將限制其在不同場(chǎng)合的應(yīng)用和推廣。

針對(duì)目前均衡技術(shù)上的問(wèn)題，本文在兼顧高的均衡效率、快的均衡速度的同時(shí)實(shí)現(xiàn)均衡器的模塊化，提出一種模塊化高性能均衡器。均衡器采用分層并行均衡：每層均衡控制的并行均衡目標(biāo)的數(shù)量達(dá)到最大，均衡速度不受串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的影響，均衡速度快；每層均衡控制的能量路徑中功率開關(guān)的數(shù)量達(dá)到最少，能量路徑最短，均衡效率高。同時(shí)，均衡器采用模塊化設(shè)計(jì)，當(dāng)蓄電池系統(tǒng)規(guī)模變化時(shí)，只需增減均衡器模塊的數(shù)量，均衡器硬件及參數(shù)保持不變，同時(shí)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與均衡原理

1.1 均衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1 均衡器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.2 均衡器工作原理

1.2.1 第一層均衡工作原理

式中,為電感電流平均值；為Q11和Q12的導(dǎo)通電阻；為Q11和Q12反并聯(lián)二極管的導(dǎo)通壓降。

1.2.2 第二層均衡工作原理

第二層均衡通過(guò)BM-2模塊實(shí)現(xiàn)各電池單元之間的能量均衡，根據(jù)整個(gè)電池組內(nèi)部各電池單元間的能量不一致情況，有三種均衡模式。

圖3 多目標(biāo)并行放電均衡模式

圖4 多目標(biāo)并行充電均衡模式

模式3：多目標(biāo)并行放電和多目標(biāo)并行充電共存的均衡模式。選擇多個(gè)能量高的電池單元并行均衡放電，同時(shí)，選擇多個(gè)能量低的電池單元并行均衡充電，均衡原理如圖5所示，該模式同時(shí)實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)并行放電均衡模式和多目標(biāo)并行充電均衡模式。多目標(biāo)并行放電均衡模式的工作原理同模式1，多目標(biāo)并行充電均衡模式的工作原理同模式2。

圖5 多目標(biāo)并行放電和并行充電均衡模式

第二層均衡的能量轉(zhuǎn)移路徑短，以電池單元為均衡目標(biāo)，其電壓值是單體電池的兩倍，因此均衡效率得到大幅提升。均衡目標(biāo)電壓值翻倍，是第二層均衡效率提升的關(guān)鍵因素。

2 均衡器特點(diǎn)分析及參數(shù)計(jì)算

2.1 均衡器特點(diǎn)分析

本文提出的模塊化高性能均衡器具有以下特點(diǎn)：

（1）均衡效率高。能量路徑是影響均衡效率的關(guān)鍵因素，本文提出的兩層均衡，均衡目標(biāo)的能量路徑中僅有一個(gè)開關(guān)器件，且不存在能量迂回現(xiàn)象，能量路徑中開關(guān)數(shù)量最少，即能量路徑最短。在最短的能量路徑中，為進(jìn)一步提高均衡效率，第一層均衡采用帶死區(qū)的互補(bǔ)PWM控制方式，第二層均衡采用提高均衡目標(biāo)的電壓以降低能量路徑中開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降占比的方式。

（2）均衡速度快。并行均衡目標(biāo)的數(shù)量是影響均衡速度的關(guān)鍵因素，并行均衡的各目標(biāo)在時(shí)間上是縱向排列實(shí)現(xiàn)的。本文提出的兩層均衡，每層均實(shí)現(xiàn)了并行均衡目標(biāo)數(shù)量的最大化，因此，均衡速度不受串聯(lián)均衡目標(biāo)數(shù)量的影響，均衡速度快。

（3）模塊化設(shè)計(jì)。模塊化特征決定了均衡器的可拓展性及拓展后均衡器性能參數(shù)、硬件參數(shù)的穩(wěn)定性。均衡器性能參數(shù)包括均衡效率和均衡速度；硬件參數(shù)包括組成均衡器的所有硬件及參數(shù)，其中最重要的是開關(guān)器件的額定電壓參數(shù)。每層均衡中的各均衡模塊結(jié)構(gòu)相同且相互獨(dú)立，再加上最短的能量路徑和數(shù)量最大的并行均衡目標(biāo)，使均衡器具有高的均衡效率和快的均衡速度，且不受串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量的影響。均衡器中開關(guān)器件的額定電壓的選擇與串聯(lián)單體電池的數(shù)量（整個(gè)電池系統(tǒng)的電壓等級(jí)）無(wú)關(guān)，因此當(dāng)蓄電池規(guī)模增大時(shí)只需增加均衡器模塊的數(shù)量，開關(guān)器件的額定電壓參數(shù)一經(jīng)確定將保持不變。另外，均衡模塊內(nèi)部所有開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓均由電池單元電壓或均衡電源提供，不需要外界驅(qū)動(dòng)電源。

2.2 均衡器參數(shù)計(jì)算

2.2.1 第一層均衡模塊參數(shù)計(jì)算

由式（5）可得到輸入與輸出電壓的關(guān)系為

開關(guān)導(dǎo)通on期間，電感電流線性上升，電壓方程可離散為

2.2.2 第二層均衡模塊參數(shù)計(jì)算

第二層均衡模塊中的參數(shù)主要涉及匝比、一次側(cè)和二次側(cè)的電感值以及占空比等的計(jì)算。每個(gè)均衡模塊為一個(gè)雙端反激式變壓器電路，為防止磁心飽和，需工作在電流斷續(xù)模式下。由于第二層均衡有三種模式，而每個(gè)模式中的各均衡模塊電路結(jié)構(gòu)相同，因此可采用其中一種模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，下面在模式1中計(jì)算變壓器的參數(shù)。

二次側(cè)MOS管承受的最大電壓S為

根據(jù)式（12），一次側(cè)電感P為

另外，變壓器在工作時(shí)需要遵循磁通復(fù)位原則，即在開關(guān)管導(dǎo)通期間增加的磁通量要等于關(guān)斷期間減少的磁通量。

導(dǎo)通期間的磁通增加量為

關(guān)斷期間磁通的減少量為

由式（17）可求得最大占空比為

3 均衡實(shí)驗(yàn)

3.1 均衡器硬件參數(shù)

表2 均衡器硬件參數(shù)

Tab.2 Equalizer hardware parameters

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與參數(shù)

本文搭建了8個(gè)磷酸鐵鋰電池（4個(gè)電池單元）的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖6所示。單體電池的額定電壓為3.2 V，額定容量21 A·h。8個(gè)單體電池的初始電壓分別是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，單體電池間的最大電壓差為222 mV。與荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）和容量相比，單體電池的電壓可以直接檢測(cè)，因此本文采用電壓作為均衡變量。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

均衡實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表3。實(shí)驗(yàn)中各單體電池的電壓均由電池參數(shù)監(jiān)測(cè)模塊（LTC6803電壓檢測(cè)電路）所測(cè)，各種波形由示波器DPO3024捕獲，除此之外，還包括電壓探頭、電流探頭等設(shè)備。

表3 均衡實(shí)驗(yàn)參數(shù)

Tab.3 Balance experimental parameters

3.3 第一層均衡實(shí)驗(yàn)

圖7互補(bǔ)PWM信號(hào)與電感電流波形

第一層均衡過(guò)程中各單體電池的電壓變化曲線如圖8所示，從圖8中可以看出，各電池單元內(nèi)部電壓高的單體電池釋放能量，電壓低的單體電池吸收能量，最終兩個(gè)電池之間的能量達(dá)到平衡。4個(gè)均衡模塊的均衡時(shí)間分別是18 min、18 min、12 min和18 min，因此，第一層均衡時(shí)間為18 min。均衡結(jié)束后各單體電池的電壓分別是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。

圖8 第一層均衡各單體電池的電壓變化曲線

3.4 第二層均衡實(shí)驗(yàn)

第二層均衡實(shí)驗(yàn)選擇均衡模式3，此時(shí)，電池系統(tǒng)包含的4個(gè)電池單元均作為均衡目標(biāo)同時(shí)并行均衡，其中，電池單元BU1、BU2并行放電，電池單元BU3、BU4并行充電。

圖9和圖10分別為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中截取的電池單元BU1、BU2的放電電流波形和BU3、BU4的充電電流波形。為計(jì)算均衡模塊的效率，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中截取了電池單元BU2放電時(shí)二次電流波形和BU4充電時(shí)一次電流波形，如圖11所示。

圖9 均衡放電電流波形

圖10 均衡充電電流波形

圖11 BU2二次和BU4一次電流波形

第二層均衡過(guò)程中4個(gè)電池單元的電壓變化曲線如圖12所示，電池單元BU1和BU2并行放電，BU3和BU4并行充電，最終電壓趨于一致。4個(gè)均衡模塊的均衡時(shí)間分別是138 min、108 min、108 min、138 min、因此第二層均衡的均衡時(shí)間為138 min。均衡實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)得各單體電池電壓分別是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，此時(shí)單體電池間的最大電壓差為2 mV。

圖12 第二層均衡各電池單元的電壓變化曲線

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.5.1 均衡器的模塊化分析

現(xiàn)有其他均衡器，如文獻(xiàn)[16-18]等涉及的均衡器，其開關(guān)器件的額定電壓與電池系統(tǒng)電壓等級(jí)相關(guān)，當(dāng)串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量增加時(shí)，所需開關(guān)器件的額定電壓也要增加。而文獻(xiàn)[18]涉及的均衡器，在3個(gè)串聯(lián)鋰離子電池均衡實(shí)驗(yàn)中，使用額定電壓為100 V的MOSFET，當(dāng)串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量增多時(shí)，其所用的MOSFET的額定電壓將進(jìn)一步增加。開關(guān)器件的額定電壓與電池系統(tǒng)電壓等級(jí)相關(guān)的均衡器，一方面當(dāng)需要擴(kuò)展使用時(shí)，均衡器硬件及參數(shù)需重新選擇和計(jì)算；另一方面蓄電池系統(tǒng)規(guī)模越大，所需開關(guān)器件的額定電壓越高，開關(guān)器件的價(jià)格和損耗也會(huì)相應(yīng)增加。本文提出的均衡器真正實(shí)現(xiàn)了模塊化，開關(guān)器件的額定電壓低且固定不變，因此，均衡器易擴(kuò)展，更適用于大規(guī)模蓄電池系統(tǒng)。

3.5.2 均衡器的均衡速度分析

本文提出的兩層并行均衡，其并行目標(biāo)數(shù)量達(dá)到最大，因此擺脫了串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量對(duì)均衡速度的影響，均衡速度快。現(xiàn)有其他均衡器普遍存在均衡器速度受串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量影響，即串聯(lián)的單體電池?cái)?shù)量越多，均衡速度越低。

3.5.3 均衡器的均衡效率分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的圖表及相關(guān)參數(shù)，根據(jù)式（2）計(jì)算均衡器第一層的均衡效率為

以電池單元BU2為例，通過(guò)實(shí)驗(yàn)中的圖表及相關(guān)參數(shù)，根據(jù)式（3）計(jì)算均衡器的第二層的均衡效率為

表1所列的目前幾種典型的均衡方法中，文獻(xiàn)[7]涉及的均衡效率最高，在4個(gè)串聯(lián)單體電池的均衡實(shí)驗(yàn)中的均衡效率峰值為94.5%，由于該均衡方法屬于迂回式均衡，因此均衡效率不穩(wěn)定，很容易隨串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量增多而下降。本文提出的均衡器，由于能量路徑最短，其均衡效率達(dá)到了97%和95%，另外，由于模塊化特征，均衡效率不受串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的影響，均衡效率穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文提出的模塊化高性能均衡器：①采用分層并行均衡，均衡目標(biāo)數(shù)量達(dá)到最大，從而擺脫了串聯(lián)單體電池?cái)?shù)量的影響，均衡速度快。均衡實(shí)驗(yàn)證明了在第一層和第二層均衡中，其并行均衡目標(biāo)數(shù)量已達(dá)最大。②每層均衡的各均衡模塊結(jié)構(gòu)相同且相互獨(dú)立，并且能量路徑最短，均衡效率與串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量無(wú)關(guān)，均衡效率高且穩(wěn)定。均衡實(shí)驗(yàn)中，第一層、第二層均衡效率分別達(dá)到97%和95%。③采用模塊化設(shè)計(jì)，功率開關(guān)器件的額定電壓低，均衡器硬件一經(jīng)確定將保持不變，實(shí)現(xiàn)了均衡器硬件的模塊化。實(shí)驗(yàn)中選擇的開關(guān)器件的額定電壓為20 V和40 V，額定電壓低，且與串聯(lián)蓄電池?cái)?shù)量無(wú)關(guān)。本文真正實(shí)現(xiàn)了模塊化的高性能均衡器，當(dāng)蓄電池系統(tǒng)規(guī)模變化時(shí)，只需增減均衡模塊的數(shù)量，均衡器硬件保持不變，同時(shí)均衡器兼顧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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51967009）。

2022-06-23

2022-09-18

劉紅銳 女，1982年生，博士，副教授，研究方向?yàn)殡妱?dòng)汽車電池管理系統(tǒng)、動(dòng)力蓄電池能量均衡。E-mail：liuhongr888@163.com（通信作者）

李海瑞 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姵毓芾硐到y(tǒng)和電池均衡技術(shù)。E-mail：1692107512@qq.com

（編輯 郭麗軍）