一种基于Cuk斩波电路的双向双层桥臂的蓄电池组均衡器的研究

2017-04-01刘红锐杜春峰陈仕龙李园专夏超英

电源学报 2017年2期

关键词：均衡器桥臂电池组

刘红锐，杜春峰，陈仕龙，李园专，夏超英

（1.昆明理工大学电力工程学院，昆明650500；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）

一种基于Cuk斩波电路的双向双层桥臂的蓄电池组均衡器的研究

刘红锐1，杜春峰1，陈仕龙1，李园专1，夏超英2

（1.昆明理工大学电力工程学院，昆明650500；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072）

为了快速有效地实现串联锂离子单体电池间的能量均衡，提出了一种基于Cuk斩波电路的双向双层桥臂的蓄电池组均衡器。此均衡器根据电池组的充放电状态采取两种不同的均衡策略：当电池组处于充电状态时，电池组中具有最高荷电状态的单体电池通过Cuk斩波电路被快速均衡放电；当电池组处于放电或静置状态时，电池组中具有最低荷电状态的单体电池通过Cuk斩波电路被快速均衡充电。均衡器拓扑电路原理简单、均衡电流连续、均衡电流可控性强、均衡效率高。最后对此均衡器进行了仿真实验，证明了此方案的可行性。

锂离子电池；Cuk斩波电路；均衡器；仿真均衡实验

随着环境污染和能源危机的日益严重，为了节能环保，世界各个国家提倡和大力发展纯电动汽车电动。由于锂离子电池具有体积小、重量轻、标称电压相对较高、循环寿命长、无记忆效应等优点，因此受到电动汽车市场的青睐。锂离子单体电池的电压在3.6 V左右，在使用中需要串联大量的锂离子电池来满足电压的要求［1-5］。在使用过程中锂离子单体电池不允许出现过充电和过放电，否则会影响电池的使用寿命，甚至发生爆炸危险［5-8］，同时由于使用环境和本身性能的差异，在使用过程中串联的锂离子单体电池间存在能量不一致的情况［9-10］。由于电池组中各个单体电池能量的不一致，电池组的充电容量受组中能量最高的单体电池容量的限制，而电池组的放电容量受组中能量最低的单体电池的容量的限制，这样电池组的充、放电容量越来越小，最终导致电池组报废。所以，必须采取有效措施来对串联的锂离子单体电池进行能量均衡，提高电池组的充放电容量，从而延长电池组的使用寿命［11-12］。

1 现有的均衡方法及其特点

为了解决串联蓄电池间能量不一致的问题，目前出现了多种均衡方法，有传统的涓流补充均衡和放电均衡方法，也有非传统的能耗均衡和非能耗均衡方法。

1.1 传统均衡方法

传统均衡方案不需要外加均衡电路，通过对充电的控制从而达到均衡的效果，既充电前后的电量补充均衡，主要包括涓流补充均衡和放电均衡方法［13］。涓流补充均衡只适用于充电过程中的均衡，且效率不高，时间长，易损坏电池。放电式均衡就是在电池组充电以前对其进行放电，从而使所有电池的初始容量相等，但是这种方法不适用于充电过程且易导致过放电而损坏电池。

1.2 非传统均衡方法

根据蓄电池组在均衡的过程中能量的转移方式非传统均衡方法分为能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡两类［7］。能量耗散型均衡主要是并联电阻均衡［2,7,8］，其特点是容易实现，电路结构简单，但是均衡电流小、耗能，不经济；而能量非耗散型均衡方案的特点是电路结构相对复杂，均衡过程不好控制，但是能量耗散较低，较经济。

根据均衡所采用均衡元件的不同，非能耗均衡方法主要包括电容均衡、电感均衡、LC均衡、变压器均衡等方法。电容均衡［7,8,14,15］的实质就是通过单体电池间的电压差来实现均衡，但是一般锂离子单体电池间的电压差在实际中相差很小，因此电容均衡很难使能量转移；电感均衡［7,12］以电感中的电流变化进行能量均衡，在均衡中电流的可控性强；LC均衡［1］即采用电感和电容作为储能元件进行均衡，该方法弥补了电容均衡受单体电池间电压差小的缺点，但是均衡电路复杂，均衡效率低；变压器均衡法［7］常见的是同轴多副边反激式变压器均衡，变压器的体积较大，且均衡电流不易控。

基于以上的均衡方案的均衡特点，本文提出了一种基于Cuk斩波电路的双向双层桥臂的蓄电池组均衡器，此均衡器拓扑电路原理简单，均衡电流连续，且可控性强，均衡速度快，均衡效率较高。

2 均衡器拓扑结构及工作原理

2.1 均衡电路拓扑结构

均衡电路的拓扑结构如图1所示，其结构包括用于选通被均衡的单体电池的双向桥臂开关矩阵电路和均衡主电路。双向桥臂开关矩阵电路由上桥臂功率开关矩阵N、下桥臂功率开关矩阵S构成，而上桥臂功率开关矩阵N和下桥臂功率开关矩阵S均为由n对反向串联的功率MOSFET开关组成的双层功率开关矩阵。均衡主电路是双向Cuk电路，由电感L1、电感L2、电容C、电压源E、2个主控开关Q1和Q2构成。这种双层桥臂的均衡电路一方面可以防止均衡过程中电池短路，另一方面可以实现能量通过Cuk电路双向流动，从而实现充电均衡和放电均衡。

图1 均衡拓扑电路Fig.1 Equilibrium topology circuit

2.2 均衡器工作原理

均衡器中电感L1、L2和电容C为储能元件，均衡电路为典型的Cuk电路，通过主控开关的脉宽调制PWM（pulse width modulation）控制使均衡能量在单体电池与均衡电路之间转移。电池组充电时通过降低电池组中电压或荷电状态SOC（state of charge）最高的单体电池的充电电流来提高整个电池组的充电容量；电池组放电时通过降低电池组中电压或SOC最低的单体电池的放电电流来提高整个电池组的放电容量。

2.2.1 电池组充电状态时的均衡器工作原理

均衡拓扑电路及其波形如图2所示。图2（a）中，当电池组处于充电状态时，假设单体电池Celli的SOC值最高，此时通过控制双层桥臂中相应的放电开关Ni2和Si2导通，然后对主控开关Q1进行PWM控制，均衡电路为Cuk斩波电路，Celli为Cuk电路的输入端，E为输出端，单体电池Celli被均衡放电。能量由单体电池Celli向电源E转移，完成整个充电过程中的电池组均衡。

现以单体电池Cell1为例进行说明，假设在电池组充电过程中，Cell1的能量最高。均衡时，控制开关N12和S12导通，使单体电池Cell1选通，然后对Q1进行PWM控制，从而实现能量由单体电池Cell1向电源E转移。当Q1处于开通状态时，回路①和回路②被同时激活。当Q1关断时，回路③和回路④被同时激活。

图2 电池组充电均衡原理及相关波形Fig.2 Schematic diagram of the battery pack charge balance and related waveforms

对于均衡电流大小的控制只需控制 Q1的PWM占空比就可以实现，均衡电流连续可调。图2（b）是开关N12、S12及Q1的PWM波形及Cell1的均衡放电电流波形。当Q1处于导通期间，均衡电流的最小值为i1min，最大值为i1max，由回路①得

式中：V1为被选通的单体电池的电压忽略开关器件的管压降；D1为开关Q1的导通占空比；Ts1为开关Q1的开关周期。

2.2.2 电池组放电状态时的均衡器工作原理

当n个串联的单体电池组成的电池组处于放电或静置状态时，其放电均衡原理及其相关波形如图3所示。图3（a）中，假设单体电池Cellj的SOC值最低，此时通过控制双层开关桥臂中对应的充电开关Nj1和Sj1导通，使该单体电池Cellj选通，然后对Q2进行PWM控制，均衡电路为典型的Cuk斩波电路，Cellj为Cuk电路的输出端，电源E为输入端，单体电池Cellj被均衡充电，能量由E转移到电池Cellj。

图3 电池组放电均衡原理及相关波形Fig.3 Schematic diagram of discharge equalization of battery pack and related waveforms

现以单体电池Cell2为例进行说明，假设在电池组静置或放电过程中，Cell2的能量最低。均衡时，控制开关N21和S21导通，使单体电池Cell2选通，然后对Q2进行PWM控制，从而实现能量由电源E向单体电池Cell2转移。当Q2处于开通状态时，回路①和回路②被同时激活。当Q2关断时，回路③和回路④同时被激活。

对于均衡电流大小的控制只需控制Q2的PWM占空比就可以实现，均衡电流连续可调。图3（b）是开关N21、S21及Q2的PWM波形及电池Cell2的均衡充电电流波形。当Q2处于导通期间，均衡电流的最小值为i2min，最大值为i2max，由回路①得

式中：V2为电压源E的电压忽略开关器件的管压降；D2为开关Q2的导通占空比；TS2为开关Q2的开关周期。

此种均衡方案采用双层桥臂的结构，输出端与一个可充电电源连接，能够实现能量的双向流动，可同时实现充电均衡和放电均衡。电路的结构和原理简单，控制容易实现。本均衡方案是基于Cuk斩波电路的，均衡电流连续。在实际应用时，可以根据所用各单体电池的荷电状态不一致程度，通过调节占空比来调节均衡电流的大小。根据所需要达到的充放电均衡的均衡效果、开关频率来选择合适的占空比、电感和电容。

3 均衡仿真实验

本文对3个初始SOC值分别为60%、40%、30%的单体锂离子蓄电池组成的电池组进行了充、放电均衡仿真实验，并对实验结果进行了分析。仿真实验是在Matlab仿真环境下完成，通过在Simulink中选取元器件搭建仿真电路，其中，单体电池为锂离子电池模型，额定电压为3.2 V，额定容量为20 Ah；电源E用一个额定电压为3.2 V，额定容量为40 Ah的锂离子电池模型代替；开关器件为内阻为50 mΩ、反并联二极管导通压降为0.5 V的MOSFET功率开关；考虑仿真电路中开关器件的管压降后，电感L1和L2均为470 μH；电容C为220 μF。

3.1 电池组充电均衡实验

以10 A的恒定电流对初始SOC值为60%、 40%和30%的3个串联锂离子电池 Cell1、Cell2、Cell3分别进行充电均衡实验，SOC值为75%时充电截止。电源E的电池初始SOC为80%。充电过程中，对电池Cell1进行均衡放电，控制桥臂开关N12和S12一直处于导通状态，主控开关Q1的开关频率为12.5 kHz，占空比为70%。

均衡实验中，电池Cell1的均衡放电电流波形如图4所示。电池组的充电SOC值为75%时停止充电，充电均衡实验的时间为2 400 s，实验结束时3个单体电池的 SOC值分别为 75%、73.2%和63.2%，电压源E的SOC值为83.7%。充电过程中3个电池的SOC变化曲线如图5所示。

图4 充电均衡电流波形Fig.4 Waveform of equilibrium current of charge

图5 充电过程中的各单体电池SOC变化曲线Fig.5 Change curves of SOC for single cells in charging process

3.2 电池组放电均衡实验

以10 A的恒定电流对初始SOC值为75%、73.2%和63.2%的3个串联锂离子电池Cell1、Cell2、Cell3分别进行放电均衡实验，放电截止SOC值为30%。电源E的电池初始SOC为83.7%。放电过程中，对电池Cell3进行均衡充电，控制桥臂开关N31和S31一直处于导通状态，主控开关Q2的开关频率为12.5 kHz，占空比为62%。

均衡实验中，电池Cell3的均衡充电电流波形如图6所示。电池组的放电SOC值为30%时停止放电，放电均衡实验的时间为3 100 s，实验结束时3个单体电池的 SOC值分别为 31.9%、30.2%和30%，电压源E的SOC值为75%。放电过程中3个电池的SOC变化曲线如图7所示。

图6 放电均衡电流波形Fig.6 Waveform of equilibrium discharge current

图7 放电过程中的各单体电池SOC变化曲线Fig.7 Change curves of SOC for single cells in discharge process

3.3 仿真结果分析

在电池组的充电均衡仿真结果中，由图4Cuk斩波电路中均衡电流波形可见，此电流波形平稳连续，符合Cuk斩波电路的电流特点；其电流的大小可以方便调节，若要改变均衡速度只需对主控开关Q1进行PWM控制改变均衡电流的大小即可。由图5充电过程中电池组的SOC值可知，对Cell1进行均衡放电的过程中，其SOC曲线的斜率明显比Cell2和Cell3小，仿真到2 400 s时其SOC值达到75%。从仿真结果看，此均衡电路达到了充电均衡的均衡效果，电池Cell1的能量经均衡电路转移到电源E中进行储存。如果还需要继续充电使电池组的SOC达到100%就需要根据实际情况对相应的电池进行均衡控制，继续对电池组进行充电。在实际的充电过程中，根据电池组的实际电量状态进行均衡控制，可以达到相应的均衡效果。

在电池组的放电仿真结果中，由图6均衡电流波形可见，电流平稳连续，电流大小可以通过调节主控开关Q2的PWM占空比来实现。由图7电池组放电过程中的电池SOC值可知，对Cell3进行均衡充电的过程中，其SOC曲线的斜率明显比Cell1和Cell2小，仿真到3 100 s时其SOC值达到30%，与Cell2的SOC值大体相等，电源E中的部分能量转移到电池Cell3中。如果电池组还需要继续对负载放电就需要依据电池的实际状态采取相应的均衡策略。在实际的放电过程中，根据电池组的实际电量状态进行均衡控制，可以达到相应的均衡效果。

4 结语

通过均衡仿真实验证明了此均衡方案的可行性，此种均衡方案的均衡效率高，均衡速度快，控制简单并且均衡电流平稳连续。在均衡的过程中根据电池组的不同状态采取不同的均衡策略，根据各单体电池的不同状态采取不同的控制策略，从而快速有效地实现电池组的均衡。在实际的均衡中，为了达到较好的均衡效果，应该选取合适的电感、电容及开关器件。

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Research on Bidirectional Battery Pack Equalizer with Double Deck Based on Cuk Chopper Circuit

LIU Hongrui1,DU Chunfeng1,CHEN Shilong1,LI Yuanzhuan1,XIA Chaoying2
（1.Faculty of Electric Power Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China; 2.School of Electrical Engineering and Automation,Tianjin University,Tianjin 300072,China）

In order to achieve the energy balance between the series lithium ion battery cells quickly and effectively,a bidirectional battery pack equalizer with double deck based on Cuk chopper circuit is presented in this paper.The equalizer adopts two kinds of balance strategy.The battery cell with the highest state of charge（SOC）in battery pack circuit is fast balanced discharge by the Cuk chopper when the battery is in charging.When battery is in discharging or static state,battery cell has the lowest SOC in battery pack is fast balanced charge by the Cuk chopper circuit.The circuit principle of the equalizer is simple,the current is continuous and controllable strongly,and the efficiency is higher.Finally,the simulation balanced experiment is carried out to prove the feasibility of this scheme.

lithium ion battery;Cuk chopper circuit;equalizer;simulation balanced experiment