串联电池组双向全桥SOC均衡控制系统设计

孙金磊，逯仁贵，魏国，郭尧，朱春波

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001）

串联电池组双向全桥SOC均衡控制系统设计

孙金磊，逯仁贵，魏国，郭尧，朱春波

（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001）

针对电池制造工艺和使用环境不同所引起的单体间电量不均衡问题，结合双向开关电源理论提出了一种集中式能量转移型单体－整组双向电池均衡方案，根据电池组内单体剩余电量（state of charge，SOC）在电池组内部进行电量双向转移，采用反馈电路保证均衡电流恒定。通过实验获得电池单体开路电压的滞回特性曲线，并结合充电和放电状态下SOC与开路电压对应关系估计各电池单体SOC，以SOC一致作为均衡目标。实验结果表明，所设计的均衡器均衡电流达到3A，可以满足电池系统均衡需求。

电池均衡;均衡策略;双向全桥;剩余电量;滞回特性

0 引言

近年来，由于环境问题和能源问题的日益凸显，电动汽车逐渐进入人们的视野，成为各国开发和推广的重点。目前，影响电动汽车、混合动力电动汽车推广应用的主要瓶颈是电池系统。化学蓄电池中镍氢蓄电池、铅酸蓄电池和锂离子蓄电池［1－2］都可以作为动力储能装置，而锂离子电池以其比能量高、比功率大、寿命长等优点逐渐成为电动汽车应用的首选［3］。由于锂离子电池单体电压低，一般都需要以串联或者并联的形式构成电池组，而电池单体受到制作工艺和使用环境的影响，在经过一段时间循环充放电后，会出现不同程度的电量不均衡，这种电池组内单体电量的不均衡将导致电池组内个别单体存在过充或者过放的可能，可充入和可放出电量的缩减将直接导致电动汽车续驶里程缩短［4－6］。因此，为了保证电动汽车的安全性和续驶里程，定期检查和维护电池组，使电池组内单体电量保持均衡状态对于延长电动汽车电池组使用寿命和提高动力电池安全性是十分有必要的。

电池均衡技术经过了近10年的发展，电池均衡拓扑已经基本覆盖了经典的DC－DC开关电源拓扑，如开关电容拓扑［7］、多变压器、多副边变压器［8］、buck－boost［9］、cuk［10］等结构都有学者将其引入到电池均衡领域进行分析和研究，也取得了一定的成果。随着软开关技术的发展，ZCS和ZVS技术也引入了电池均衡研究，台湾学者LEE Y S的一系列研究都是从减小损耗提高效率角度提出的［11－12］。

电池均衡策略是电池均衡器能否发挥其最大功效的关键。目前提出的电池均衡策略有电压均衡，SOC均衡两类。电压均衡采用电池端电压作为电池均衡的判据，但由于电池开路电压的滞回特性，相同电压的两节电池其电量不一定一致［13］。所以这种方法可能造成电池的过均衡和欠均衡。SOC均衡通过电池OCV（open circuit voltage）与state of charge（SOC）的对应关系［14］，利用电池模型估算出电池当前电量，并以电池荷电状态一致作为最终均衡目标。SOC均衡策略较电压均衡策略更具有合理性，但SOC的准确估计还需要准确的模型和实用的算法的配合才能满足实际需求。

本文所提出的均衡方法采用基于双向全桥结构的电池均衡器，与传统方法相比，双向均衡拓扑在电池能量转移上更具有灵活性和目的性。充分考虑滞回特性对电池SOC估计的影响，采用充电和放电两种OCV－SOC对应关系根据实际情况估算电池SOC，并以SOC一致作为均衡判据，减少过均衡带来的不利影响。

本文首先提出了一种基于双向全桥结构的电池均衡拓扑，该拓扑能够实现整组电池与单体电池之间能量的双向传递。然后对所提出均衡拓扑的工作原理进行了分析。并根据该拓扑的结构特点提出了一种能够实际应用的SOC均衡策略。最后利用12节磷酸铁锂电池串联构成的电池组进行了实验验证，证明了所提出拓扑和均衡策略的有效性和实用性。

1 均衡器结构与工作原理

1.1 均衡器结构

本文所提出的均衡器结构示意图如图1所示，均衡系统由开关网络、电压测量模块、控制器和均衡主电路构成。均衡主电路采用双向全桥DCDC变换器。电压测量模块实时测量各节单体电压，根据均衡策略给出每节电池需要转移的电量，然后控制器驱动开关网络，将需要均衡电池接入均衡主电路。均衡主电路的一侧接整组电池，另一侧接单节电池。电路工作在两种模式下:升压模式和降压模式。工作于升压模式时，均衡电路可以将某节电池的电能转移到整个电池模块;工作于降压模式时，均衡电路可以将电池模块的电能转移到某节电池。恒流控制电路使单体侧的充电或放电电流恒定。这种结构有助于简化均衡时间的计算，方便均衡策略的实施。

在开关网络的设计上，设置了S1、S2两个换向开关，使被均衡电池始终能以正确的极性接入均衡电路，所需要的开关总数为n+5个。

图1 均衡器结构框图Fig.1Structure of the proposed equalizer

1.2 均衡器工作原理

均衡主电路驱动控制结构如图2所示，在主电路的单体侧和模块侧，各有一套开关管驱动控制电路。

当均衡主电路工作于升压模式时，单体侧PWM发生电路工作，单体侧开关管驱动电路驱动MOSFET Q5～Q8工作，二极管D1～D4构成桥式整流。此时的PWM占空比大于50%，在一个桥臂的两个开关管同时导通的时候，电感电流上升，此时电感L处于储

其中，D1为升压模式下的占空比，范围为50%～80%。N1和N2分别为变压器原边和副边的匝数，U1，U2分别为单体侧和整组侧电压。能阶段。在两个桥臂的开关管互补工作阶段，电感能量释放，通过变压器耦合到电池模块侧。这种驱动方式相当于在前级增加了一级升压，从而保证足够的升压比。工作于升压模式下，输入输出电压有

图2 均衡主电路驱动控制结构图Fig.2Main circuit of the proposed equalizer

当均衡主电路工作于降压模式时，整组侧PWM产生电路工作，MOSFET Q1～Q4工作，二极管D5～D8做桥式整流，此时PWM占空比小于50%，电感L作为滤波电感工作。因为整组侧电压高、电流小;单体侧电压低、电流大，为了减少整流时的损耗，降压模式下采用同步整流提高效率。高速光耦将整组侧的PWM信号同步耦合到单体侧，通过驱动电路实现MOSFET Q5～Q8同步整流工作方式。反馈调节电路通过改变PWM信号的占空比，使流过单体侧检流电阻RF上的电流恒定。降压模式下输入输出电压有

其中，D2为降压模式下的占空比，范围为0～50%。

变压器的选择需要满足电路两种模式下均能提供足够的变比。如果变压器变比过大，尽管能够满足升压要求，但是降压时输出电压会低于电池电压，无法给电池充电。相反，若变比过小，尽管能够满足降压要求，但单节电压无法升至整组电压，无法给整组充电。若电池组由n节电池串联，则U2/U1=n，变压器的变比要满足

同时为了减小变换器的功率环流，减小开关管的损耗从而提高变换器的效率，本文采用双重移相控制［15－16］。

2 均衡策略

2.1 两种均衡模式分析

2.1.1 升压模式均衡过程分析

设某节电池的电量比平均电量高出Δ，均衡电流为Iequ，则开关网络将该节电池接入均衡主电路的单体侧，并使均衡主电路工作于升压模式，均衡时间为

此时，该节电池给整组电池充电，对该节电池而言，其电流有

其中，Idischarge为实际放电电流，Icha为整组侧的充电电流。式（5）表明，该节电池的实际放电电流小于Iequ，经过时间t，该节电池减少的电量为

而经过时间t，其他电池被充的电量为Ichat。

通过对比式（6）可以看出，经过时间t，该节电池高出的电量被平均分配到电池组的每个单体中。

2.1.2 降压模式均衡过程分析

设某节电池的电量比平均电量低Δ，均衡电流为Iequ，则开关网络将该节电池接入均衡主电路的单体侧，并使均衡主电路工作于降压模式，均衡时间如式（4）所示。

此时，整组电池给该节电池充电，对该节电池而言，其电流有

其中，Icharge为实际充电电流，Idis为整组侧的放电电流。式（7）表明，该节电池的实际充电电流小于Iequ，经过时间t，该节电池增加的电量为

而经过时间t，其他电池被放的电量为Idist。通过对比式（8）可以看出，经过时间t，该节电池的电量偏差Δ被消除。

2.2 均衡策略

传统的均衡策略是以电池电压作为判据。当电压的不一致性达到一定程度时认为需要均衡，当各单体电压一致时，认为均衡结束。而实际上，能量转移型均衡中必然同时存在充电电池和放电电池，受锂电池充放电滞回特性的影响，电池充电电压曲线和放电电压曲线是不重合的，因此如果按照电压一致的均衡策略进行均衡，均衡后的电池虽然电池电压已经一致，但实际电量仍存在差异。磷酸铁锂电池充放电SOC－OCV滞回曲线如图3所示，从图中可以看出，在OCV相同的点，被充电电池的SOC比被放电电池的SOC低，以3.3 V电池电压为例，对于充电曲线和放电曲线，SOC分别为60%和30%，如果按照电压一致的策略进行均衡将可能造成误判形成过均衡，有可能损坏电池。

为避免滞回特性带来的影响，本文的均衡策略以各单体的SOC作为判据。尽管目前有很多方法估计SOC，如安时法、开路电压法、卡尔曼滤波法等［17］，以及这些方法的结合，但最普遍和准确的方法还是根据电池长时间静置时开路电压和SOC的关系进行估计的开路电压法。SOC的估计本身存在误差，误差的存在可能会导致均衡过度，造成能量的损失，并有可能损坏电池。因此，防止均衡过度带来的损失在SOC估算时留一定的域量，即:若估算所得SOC大于平均SOC，则以当前SOC减去估算误差作为实际SOC;若估算所得SOC小于平均SOC，当前SOC加上估算误差作为实际SOC。

图3 磷酸铁锂电池充放电SOC－OCV曲线Fig.3LiFePO4 SOC-OCV curves for charging and discharging

因为静态条件下电池开路电压稳定，并且没有电压电流冲击，具有更高的可靠性，所以在电池组定期维护时在静态条件下对电池组进行均衡操作是可行的，均衡过程如下:

计算每节单体SOC与平均SOC的差值Δn，若Δn为正值，则均衡主电路工作于升压模式;若Δn为负值，则均衡主电路工作于降压模式，均衡时间为

对每节单体做如上的均衡，直至所有单体均衡结束。

3 实验结果

均衡实验针对12节单体串联的IFR32650磷酸铁锂电池组进行，其各项参数如表1所示。均衡实验如图4所示。

表1 IFR32650磷酸铁锂电池参数Table 1Parameters for IFR32650 LiFePO4 battery

图4 均衡实验Fig.4Equalization test bench

为了验证本文所设计的均衡电路及均衡策略，首先将其中某些单体电池充放电若干安时，人为造成不均衡。此时用1C电流给电池组充电，每隔1 s记录一次电池电压，所得曲线如图5所示。从图中可以看出，第9节电池电量明显高于其他电池，而第8节电池电量明显低于其他电池。在充电末期，其他电池还没有充满，而第9节电池已经明显过充。

图5 均衡前电池组1C充电曲线Fig.5The 1C charging curve before equalization

均衡启动后，工作于升压模式和降压模式的相关波形如图6和图7所示。两种模式下，均能达到3 A的均衡电流。升压模式下的能量转换效率是86.77%，降压模式下的能量转换效率是73%。

图6 升压模式下PWM信号和电感电流Fig.6PWM signal and inductor current under boost mode

图7 降压模式下PWM信号和电感电流Fig.7PWM signal and inductor current under buck mode

均衡结束后再对电池组进行1C充电，所得曲线如图8所示，与图5对比可以看出，电池组的一致性得到了改善。同时可以看出，在充电末期，由于内阻增大的原因，各电池单体端电压都有不同程度的上升，大部分电池电压保持在一定范围。从图5和图8的充电时长可以看出，均衡前经过1 400 s就由于9号电池超过充电上限截止电压而被迫停止充电，均衡后经过2 000 s才达到充电上限截止电压，而且电池单体之间差距较小。这表明实际可充入电量获得了提升。

图8 均衡后1C充电曲线Fig.8The 1C charging curve after equalization

4 结论

本文在分析多种均衡拓扑的基础上，提出了一种基于双向全桥DC－DC变换器的串联电池组主动均衡电路，并对其工作方式进行了分析。结合开路电压同SOC的非线性关系估算SOC，并提出了一种静态条件下基于SOC的均衡策略，将SOC估算误差考虑在内，防止电池组过度均衡造成的损失。为了验证所设计的均衡电路及均衡策略，针对12节串联磷酸铁锂电池组进行了实验，实验结果表明，所设计的均衡器均衡双向均衡电流可大3 A，升压模式和降压模式的能量转化效率分别为86.77%和73%。因此，所设计的均衡器能够有效改善电池组的电量均衡现象，提高电池组可用容量。

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（编辑:刘琳琳）

Bidirectional full-bridge converter based SOC equalization system design for series-connected battery string

SUN Jin-lei，LU Ren-gui，WEI Guo，GUO Yao，ZHU Chun-bo
（School of Electrical Engineering and Automation，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The operation environment and manufacturing process cause the problem of charge imbalance for battery pack.In order to solve the problem，a bidirectional equalization strategy using centralized structureis was proposed.The bidirectional energy transfer was implemented by a bidirectional full-bridge converter.Close loop control makes equalization current constant.The cell SOCs were estimated by using the Open Circuit Voltage（OCV）charging and discharging curves considering the hysteresis effect.Experiments were taken to evaluate the performance.The equalization current is 3A，which satisfies the requirement of equalization for battery pack.

battery equalization;equalization strategy;bidirectional equalization;state of charge（SOC）; hysteresis effect

10.15938/j.emc.2015.03.012

TM 912

A

1007－449X（2015）03－0076－06

2014－02－25

国家高技术研究发展计划（863计划）（2012AA111003）;国家自然科学基金（51277037）;黑龙江省应用技术研究与开发计划项目（GA13A202）

孙金磊（1985—），男，博士研究生，研究方向为电动汽车电池管理系统及电池均衡技术;

逯仁贵（1978—），男，博士，副教授，研究方向为智能测试与控制、电动汽车电源管理等技术;

魏国（1966—），男，博士，教授，研究方向为测控系统、无线电能传输等技术;

郭尧（1987—），男，博士研究生，研究方向为无线电能传输技术;

朱春波（1964—），男，博士，教授，研究方向为电动汽车电池管理、无线电能传输等技术。

朱春波