航空蓄电池能量均衡技术研究

王友仁， 梁嘉羿， 黄薛， 耿星， 陈则王

南京航空航天大学 自动化学院， 南京 211106

航空蓄电池能量均衡技术研究

王友仁， 梁嘉羿*， 黄薛， 耿星， 陈则王

南京航空航天大学 自动化学院， 南京 211106

航空电池组中单体电池之间会逐渐出现不一致性，会降低电池组性能和使用寿命，甚至引发安全事故。本文提出了一种基于主动均衡的航空蓄电池组能量均衡系统结构，提出了一种能量集中式双向传递的Cúk型均衡电路，设计了顶部均衡和底部均衡的均衡控制策略。开发了航空镍镉蓄电池能量均衡系统，进行了镍镉电池组能量均衡实验分析，实验结果表明新型能量均衡器具有均衡速度快、均衡电池单体可任意选择、能量双向传递的优点，通过电池组能量均衡控制能明显改善电池组内单体之间的不一致性，提高电池组容量利用率和使用寿命。

航空蓄电池； 串联电池组； 电池均衡； 主动均衡； 均衡控制策略

航空蓄电池作为飞机的应急和辅助电源，其用于启动飞机发动机和辅助动力装置，在飞机主电源发生故障时向重要的飞行仪表和导航等设备供电，以保证飞机安全飞行和着陆。航空蓄电池工作在高空恶劣环境下，容易出现活性物质脱落、电解液干涸、极板变形、栅极腐蚀及硫化等现象，导致蓄电池性能退化甚至失效，无法保证飞机应急供电，从而严重影响飞行安全[1]。

单节蓄电池电压较低，航空蓄电池组必须将多个单体电池串联使用才能满足电压需求[2]。由于原材料、生产工艺及使用环境等因素影响，在循环使用中电池组中单体电池之间会产生不一致性，这将降低电池组容量利用率并严重影响电池的使用寿命，严重时甚至会导致安全事故[3]。为了减小不一致性，通过电池均衡管理来实时检测单体电池性能状态，通过能量耗散或者能量转移的方式重新分配组内单体的能量，减小单体之间容量的差异，提高容量利用率[4]。因此，航空电池组能量均衡与健康管理技术研究有重要的科学意义和应用需求。

蓄电池能量均衡技术主要涉及均衡拓扑结构与均衡控制策略。均衡拓扑结构分为被动均衡和主动均衡。被动均衡电路通过耗能电阻分流的方式耗散电量高的电池的电量来降低电池组的不一致性，存在能量耗散严重，均衡效率低等缺点，往往用于实现充电状态下的均衡控制[5-6]。主动均衡即非耗散型均衡，通过储能元件进行单体电池之间的能量转移，实现各个单体电池的能量均衡，理论上不消耗电池能量，而是将能量在电池单体间进行转移，可实现充放电状态下的均衡控制。因此，主动均衡是蓄电池能量均衡的重点发展方向。主动均衡按能量转移的方向进行分类，可分为5种拓扑结构：① 可实现相邻2节电池单体能量转移的相邻电池单对单型均衡拓扑结构(Adjacent Cell to Cell)[7-9]；② 可以电池组中任意2节电池单体进行能量转移的直接单对单型均衡拓扑结构(Direct Cell to Cell)[10-12]；③ 将任意电池单体的能量转移给整个电池组的单对多型均衡拓扑结构(Cell to Pack)[13-15]；④ 将整个电池组的能量转移给任意电池单体的多对单型均衡拓扑结构(Pack to Cell)[16-17]；⑤ 具有单对多和多对单2种工作模式，可实现电池组与任意电池单体间的能量双向传递的双向型均衡拓扑结构(Cell to Pack to Cell)[18-20]。

综上所述，双向型均衡拓扑结构具有2种工作模式，在充放电状态下应对多单体电池组复杂失衡表现出较快的均衡速度和较高的均衡效率。但是，现有均衡方法由于均衡电流工作在断续模式下，均衡速度较慢。另外，目前国内外主要研究的是电动汽车锂电池均衡管理技术，有关航空蓄电池能量均衡与健康管理技术研究相对较少。

本文提出了一种模块化的航空电池组能量均衡系统设计方案，均衡拓扑电路在保留了双向型均衡拓扑结构优点的同时，结合Cúk变换器能量传递电流连续的特点，对传统的基于相邻电池单体进行能量转移的Cúk变换器型均衡拓扑结构进行改进，提出了能量集中式双向Cúk型均衡电路。该均衡电路均衡电流工作在连续状态下，均衡速度较快。具有升压及降压2种工作模式，可实现电池组与任意电池单体间的能量双向传递。且使用的功率器件少，具有较高的均衡效率。拓扑结构使用模块化设计，可扩展性强，控制简单。

1 均衡器结构与工作原理

1.1 均衡系统拓扑结构

本文提出了一种+28 V镍镉航空蓄电池组能量均衡系统结构，采用了分层模块化结构，具有主控模块和从控模块2层结构。可以对24节电池单体组成的串联电池组进行均衡管理，实现能量的跨越式传递，均衡路径短、均衡效率高、扩展能力强。其系统结构如图1所示，Celln为任意电池单体。

将24节电池分为3组，每组8节电池单体。从控模块使用能量集中型双向Cúk变换器均衡拓扑结构实现模块内部的均衡控制。主控模块使用Buck-Boost均衡拓扑结构实现模块间的均衡控制。

本文提出了一种能量集中型基于双向Cúk变换器的均衡拓扑结构(如图2所示)，该电路包括均衡模块和电池组均衡回路。电池模块可以使用n节电池，每个电池单体使用一个单独Cúk均衡单元。电池组通过均衡回路实现单体与电池组以及电池组与单体间的能量双向传递。

Cúk均衡单元如图3所示，一侧连接整个电池组，一侧连接电池单体，由3个电容、2个电感、2个MOS开关以及2个二极管组成，Battery为整个电池组。通过控制器输出PWM波驱动开关Sna和Snb实现电池单体Celln与电池组之间的能量双向传递。

当Celln电压过高时，使用PWM波驱动开关Sna，Cúk均衡模块工作在升压模式，将Celln的能量转移到整个电池组：

图1 航空蓄电池组能量均衡系统结构 Fig.1 Energy balance system structure of aircraft battery

图2 均衡电路结构 Fig.2 Structure of equalization circuit

图3 双向型Cúk均衡单元电路 Fig.3 Equalization unit circuit based on bidirectional Cúk converter

1) 闭合开关Sna，Celln产生电流流过电感Lna，同时电容Cna和Cnb放电使电感Lnb储能。

2) 断开开关Sna，Lna中能量转移到了Cna和Cnb中，Lnb中的能量转移到电容Cn中。

3) 电容Cn的能量转移到整个电池组中给电池组充电。

当Celln电压过低时，使用PWM波驱动开关Snb，Cúk均衡模块工作在降压模式，将整个电池组的能量转移到Celln：

1) 闭合开关Snb，Cn产生电流流过Lnb，同时电容Cna和Cnb放电使Lna储能。

2) 断开开关Snb，Lnb中能量转移到Cna和Cnb中，Lna中的能量转移到电池Celln中。

3) 电池组放电给电容Cn充电。

1.2 Cúk均衡单元电路

1.2.1 工作原理

1) 升压模式：单对多均衡

假设当电池Cell2电压过高时，使用PWM波驱动开关S2a。

状态1：t0～t1

开关S2a在t0时刻导通，电池Cell2、L2a和S2a构成回路1，电池中电流流过L2a，电流大小为

(1)

式中：EB2为电池单体Cell2的电压；i1为回路1的电流；t为时间。

C2、L2b、C2a和C2b构成了回路2，C2a和C2b放电，电容C2充电，同时在电感L2b中储能。回路2中电流大小为

(2)

式中：VC2a为电容C2a的电压；VC2b为电容C2b的电压；EB为整个电池组的电压；i2为回路2的电流；t1=DT，D为PWM波占空比，T为PWM波周期。均衡电流流向如图4所示。

状态2：t1～t2

开关S2a在t1时刻闭合，L2a和L2b电流不会突变，二极管D2b导通。

Cell2、L2a、C2a、C2b和D2a构成回路1，L2a将储存的能量转移到C2a和C2b中，电流为

(3)

C2、L2b、D2b构成回路2，L2b把储存的电量转移到电容C2中。回路2中电流为

(4)

均衡电流流向如图5所示。

2) 降压模式：多对单均衡

假设当电池Cell2电压过低时，需要使用底部均衡。使用PWM波驱动开关S2b。

状态1：t0～t1

开关S2b在t0时刻导通，电池组、电容C2和L2b、S2b构成回路2，电池组中电流流过L2b，电流大小为

(5)

Cell2、L2a、C2a、C2b和S2b构成了回路1，C2a和C2b放电，电池Cell2充电，同时在电感L2a中储能。

图4 升压模式状态1电流流向 Fig.4 Current flow in state 1 of raise voltage mode

图5 升压模式状态2电流流向 Fig.5 Current flow in state 2 of raise voltage mode

回路1中电流大小为

(6)

均衡电流流向如图6所示。

状态2：t1～t2

开关S2b在t1时刻闭合，L2a和L2b电流不会突变，二极管D2a导通。

C2、L2b、C2a和C2b构成了回路2，L2b将储存的能量转移到C2a和C2b中，电流为

(7)

Cell2、L2a、D2b构成回路1，L2a把储存的电量转移到Cell2中。回路1中电流为

(8)

均衡电流流向如图7所示。

图6 降压模式状态1电流流向 Fig.6 Current flow in state 1 of reduced voltage mode

图7 降压模式状态2电流流向 Fig.7 Current flow in state 2 of reduced voltage mode

1.2.2 参数设计

以航空镍镉电池为研究对象设计Cúk变换器，输入端分别与电池单体相连，输出端连接8节电池单体组成的串联电池组。单体镍镉电池的额定电压为1.2 V，电压范围为1.00～1.68 V，容量为30 A·h。顶部均衡和底部均衡的均衡电流为3 A。

1) MOS开关频率

MOS开关频率用于控制均衡电流的大小，进而决定均衡速度。当开关频率小于10 kHz时，均衡电流过大，会造成电池的损坏。同时，过大的电流会导致电感的能量损耗过大，降低均衡效率。但是当开关频率过高时，MOS管的损耗也会增大，而电感电容中的寄生参数也会在高频工作环境下对均衡效率造成很大影响。因此，本文选用20 kHz的开关频率。

2) PWM波占空比

当电路达到稳态时，电感电流波动的平均值为0，即

(9)

联立式(1)～式(4)得到，升压模式时Cúk变换器的电压增益表达式为

(10)

式中：D1为升压模式PWM波均衡控制占空比，D1=88.89%。

联立式(5)～式(8)得到，降压模式时Cúk变换器的电压增益表达式为

(11)

式中：D2为降压模式PWM波均衡控制占空比，D2=11.11%。

3) 电感和电容

电感L的值可由式(1)和式(2)得出：

(12)

Lna=Lnb=47 μH

(13)

电容C的参数会影响均衡电路的均衡效率、均衡速度及电压稳定性。电容过小会导致均衡时电压波动过大，造成均衡电路稳定性差。电路中电容参数设计为

Cna=Cnb=100 μF

(14)

2 均衡控制策略

以充放电过程中电池单体的端电压作为均衡控制变量。在充放电过程中实时监测每节电池单体的端电压，当电压极差超过10 mV时开启能量均衡控制。电池充放电均衡控制策略设计如下。

2.1 充电均衡

在电池组充电过程中，当某节单体电池电压上升过快时，会出现过充的危险。在充电过程中，启动均衡电路升压模式，将端电压最高的单体电池的能量传递给其他电池，实现电池组的“顶部均衡”，避免端电压较高的单体电池提前到达最大充电截止电压，使电池组充入更多能量。

2.2 放电均衡

在电池组放电过程中，性能较差的单体电池端电压下降速度过快，导致其出现过放的危险，电池组下降、容量得不到充分利用，连续放电会加重单体电池之间的不一致性。在放电过程中，启动“均衡电路降压模式”，使得端电压最低的单体电池获得其他电池的能量，实现电池组的“底部均衡”，避免端电压低的单体电池提前到达最小放电截止电压，使电池组能放出更多能量，且保护了性能较差的单体电池的安全性与可靠性。

3 能量均衡实验及结果分析

3.1 能量均衡系统开发

用24节镍镉电池单体串联组成镍镉蓄电池组，设计开发航空蓄电池均衡管理系统。

主控模块的功能是收集各均衡管理模块采集的电压、温度以及电池组的充放电电流，与上位机调试软件信息交互，用于电池状态显示及参数标定。主控模块组成结构如图8所示。

图8 主控模块组成结构 Fig.8 Structure of master module

从控模块的功能是实时采集单体电池的电压、温度、充放电电流以及进行数据通信和均衡管理的功能。实时采集单体电池电压，根据电池状态进行一致性判断，必要时执行主动均衡，从控模块结构如图9所示。本文开发的航空电池组能量均衡系统如图10所示。

在均衡控制进行顶部均衡时，均衡器工作在升压模式，通过霍尔传感器测量升压模式下的均衡电流。如图11所示。

顶部均衡时，均衡器输入电流为Iimax=2.40 A，Iimin=1.60 A，输出电流Iomax=0.32 A，Iomin=0.14 A，均衡效率为

(15)

式中：Io(t)和Ii(t)分别为均衡器输出和输入电流；Uo和Ui分别为均衡器输出和输入电压。

可以得到顶部均衡时均衡效率为92%，均衡电流变化与理论分析相同。

在均衡控制进行底部均衡时，均衡器工作在降压模式，通过霍尔传感器测量降压模式下的均衡电流，如图12所示。

图9 从控模块结构 Fig.9 Structure of slave module

图10 航空电池组能量均衡系统 Fig.10 Energy balance system of aircraft battery

图11 升压模式均衡电流波形 Fig.11 Equalization current of raise voltage mode

图12 降压模式均衡电流波形 Fig.12 Equalization current of reduced voltage mode

底部均衡时，均衡器输入电流为Iimax=0.9 A，Iimin=0.76 A，输出电流Iomax=3.6 A，Iomin=3.2 A。可以得到底部均衡时均衡效率为51.2%，均衡电流变化与理论分析相同。

3.2 实验结果分析

实验对象为24节GNZ30镍镉电池组成的串联电池组，电池容量为30 A·h，用标准0.2 C恒流充放电，充放电电流为6 A。采用新电池、旧电池混合组成电池组来模拟各个单体电池的性能不一致。通过电池组能量均衡实验研究，提供能量均衡控制对电池组性能指标分析，如电压标准差、电压极差和充放电时间。

1) 充电均衡

对模组内的8节电池进行充电实验，验证从控模块能量集中型双向Cúk变换器均衡拓扑结构顶部均衡。实验结果如图13所示，U为电压。

从控模块充电均衡前后各单体电压对比如表1 所示，可知，充电未均衡结束后，各电池电压极差为78 mV，充电时间为12 494 s，充入电量为 20.82 A·h，标准差为0.027 7 mV。

充电均衡结束后，各电池电压极差为 13 mV，比均衡前减小了83%，且充电时间为16 464 s，多充电3 970 s，充入电量为27.44 A·h，容量提高了31.8%。标准差为0.004 7 mV，电池一致性得到显著改善。

对24节电池进行充电实验，实验结果如图14 所示。未使用均衡充电结束后电压极差为217 mV，标准差为0.091 23 mV，充电时间为10 099 s，使用均衡充电结束后电压极差为106 mV，减小51.15%，标准差为0.04 mV，充电时间为12 036 s，延长了1 937 s，电池的容量提高了19.18%。

图13 从控模块充电均衡电压曲线 Fig.13 Voltage curves in charging equalization of slave module

表1 从控模块充电均衡前后各单体电压对比Table 1 Comparison of voltage before and after charging equalization of slave modulemV

图14 24节电池充电实验均衡端电压对比 Fig.14 Comparison of voltage in charging equalization of 24 cells

2) 放电均衡

对模组内的8节电池进行放电实验，验证从控模块能量集中型双向Cúk变换器均衡拓扑结构底部均衡。实验结果如图15所示。

从控模块放电均衡前后各单体电压对比如 表2 所示，可知，放电未均衡结束后，各电池电压极差为190 mV，放电时间为11 370 s，放出电量为18.95 A·h，标准差为0.062 9 mV。

放电均衡结束后，各电池电压极差为134 mV，比均衡前减少了29%，放电时间为12 819 s，延长了1 449 s，放出电量为21.36 A·h，可用容量提高了12.72%。标准差为0.051 1 mV，电池一致性得到改善。

图15 从控模块放电均衡电压曲线 Fig.15 Voltage curves in discharging equalization of slave module

表2 从控模块放电均衡前后各单体电压对比Table 2 Comparison of voltage before and after discharging equalization of slave module mV

表3 均衡电路性能指标对比Table 3 Comparison of indices of equalization circuit

对24节电池进行放电实验，实验结果如图16 所示。未使用均衡放电结束后电压极差为199 mV，标准差为0.054 9 mV，放电时间为7 784 s，使用均衡放电结束后电压极差为118 mV，减小了40.7%，标准差为0.038 7 mV，放电时间为9 604 s，延长了1 820 s，可用容量提高了23.38%。

通过表3均衡指标对比可以发现，本文提出的能量集中型双向Cúk型均衡电路较传统Cúk型均衡电路，可实现电池单体与整个电池组的能量双向传递，减少了能量传输节点，提高了均衡效率。本电路较其他双向型均衡电路的特点为：① 均衡电流工作在连续状态下，且均衡电流较大，均衡速度快；② 均衡效率相对较高。

图16 24节电池放电实验均衡端电压对比 Fig.16 Comparison of voltage in discharging equalization of 24 cells

4 结 论

1) 设计了一种航空蓄电池能量均衡管理系统总体方案，采用了分层模块化结构，可实现航空蓄电池的能量均衡管理。

2) 提出了一种能量集中式双向Cúk型均衡电路，具有升压及降压2种工作模式，可以实现整个电池组与任意电池单体间的能量双向传递。双向Cúk型均衡器的均衡电流工作在连续状态，具有较快的均衡速度，均衡效率高，使用模块化的结构，可扩展性强，均衡控制简单。

3) 制定了基于端电压均衡的充放电双向均衡控制策略。

4) 开发了航空蓄电池均衡管理系统。实验结果表明，在升压模式下均衡效率为92%，降压模式下均衡效率为51.2%。在充放电过程中该均衡器可以提高电池组容量利用率，并改善电池组内单体间的一致性。

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(责任编辑： 苏磊)

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161125.0903.002.html

Researchofenergyequalizationtechnologyforaircraftbattery

WANGYouren,LIANGJiayi*,HUANGXue,GENGXing,CHENZewang

CollegeofAutomationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing211106,China

Theinconsistencywillgraduallyappearbetweenmonomerbatteriesofaircraftbattery,whichwillreduceperformanceandservicelifeofthebattery,andevenleadtosecurityincidents.Thispaperpresentsastructureofactivebalancingforaircraftbatteryequalizationsystem.AbidirectionalenergytransferbalancedtopologyisproposedbasedonCúkconverter,andabalancingcontrolstrategyforbothtopandbottombalancingisdesigned.AnenergyequalizationsystemforaircraftNi-Cdbatteryisdeveloped.ExperimentsareconductedtoanalyzetheenergyequalizationofNi-Cdbatteryseriesbattery.Experimentalresultsshowthattheproposedenergyequalizerhasthecharacteristicsofhighspeed,randomchoiceofbalancedsinglebattery,andbi-directionaltransformationofenergy.Theequalizercanreducetheinconsistenciesinthebatterymonomer,andimprovethecapacityutilizationratioandservicelifeofthebatterypack.

aircraftbattery;seriesconnectedbatteries;batteryequalization;activebalancing;balancingcontrolstrategy

2016-08-08；Revised2016-10-14；Accepted2016-11-22；Publishedonline2016-11-250903

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(61371041)；FundofNationalEngineeringandResearchCenterforCommercialAircraftManufacturing(SAMC14-JS-15-051)；AeronauticalScienceFoundationofChina(2013ZD52055)；theFoundationofGraduateInnovationCenterinNUAA(kfjj20150314)

.E-mailliangjiayi003@163.com

2016-08-08；退修日期2016-10-14；录用日期2016-11-22； < class="emphasis_bold">网络出版时间

时间：2016-11-250903

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161125.0903.002.html

国家自然科学基金 (61371041)； 国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金 (SAMC14-JS-15-051)； 航空科学基金 (2013ZD52055)； 南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金 (kfjj20150314)

.E-mailliangjiayi003@163.com

王友仁， 梁嘉羿， 黄薛， 等． 航空蓄电池能量均衡技术研究J． 航空学报,2017,38(5):320665.WANGYR,LIANGJY,HUANGX,etal.ResearchofenergyequalizationtechnologyforaircraftbatteryJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(5):320665.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0307

V242; TM912

A

1000-6893(2017)02-320665-10