一种单电感双向电池均衡电路

李小龙 徐顺刚 许建平 刘倩怡

摘 要：针对传统集中式电池均衡电路体积大、不易扩展、均衡精确度低;而分布式均衡电路存在元件多、成本高的问题，提出了一种单电感双向电池均衡电路，该均衡电路采用Buck-Boost变换器与开关矩阵相结合的方式实现对整个电池组的均衡，通过对电感的时分复用实现对每一个电池独立均衡控制。均衡电路中电感电流工作于断续模式，消除了各电池之间的交叉影响。研究了该均衡电路的工作模式和控制策略，在此基础上研制了针对4个电池单体的均衡实验电路，均衡实验验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性，同时，无论电池组在充电、放电，还是静置状态，该均衡器均能保证均衡精确度在20 mV以内。

关键词：电池均衡;单电感;Buck-Boost;电感复用;均衡控制

中图分类号：TM 71

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）04-0090-08

0 引 言

目前，能源危机与环境污染日益成为人们关注的热点问题。在能源危机和环境保护的双重压力下，世界各国都在积极进行绿色能源技术开发。在各种绿色能源的开发应用中，锂电池以其比能量高、无记忆效应、循环寿命长等优点，广泛应用于各种储能系统中[1-2]。但锂电池单体电压较低，需要将数十个甚至上百个电池单体串联成组以实现高压输出。由于在制造和使用过程中各单体电池内阻、漏电流、温度等特性的差异性，易造成电池组的不均衡现象，具体表现为使用过程中出现单体电池的过充和过放现象，并最终导致电池组性能急剧下降、循环寿命缩短[3-5]。因此，研究具有均衡速度快、效率高、体积小、扩展能力强的电池均衡电路具有重要意义。

随着电力电子技术的发展和节能要求的提高，能量耗散型均衡方法正在逐渐淘汰，各类基于高频开关电源技术的有源均衡电路在提高均衡能力的同时，减小了均衡损耗、降低了成本、提高了均衡速度和精确度、简化了均衡系统结构以及增强均衡实时性和安全性[6-7]，已成为国内外研究的热点。

根据电路结构和控制方法，有源均衡电路可分为集中式、分布式和集散式3种[2，8]。集中式均衡电路中，整个电池组共用一个或多个均衡器，具有结构简单、成本低的优点，但由于它多以耦合电感或多绕组变压器为均衡载体，受变压器体积、副边漏感及加工工艺的影响，较难实现高精确度电压均衡、不易维护且扩展能力差[9-14]。分布式均衡电路中，每个电池单体均对应于一个均衡器并进行独立控制，控制灵活、易扩展、易维护，但该均衡电路元器件较多，成本较高[15-18]。基于开关矩阵的均衡电路结合了上述两种均衡电路的优点，属于集散式均衡电路，它的整组电池共用一个主均衡器，结构相对分布式均衡电路更简单、体积更小、成本更低[19-22]。根据时分复用均衡控制思路，将整个均衡控制周期划分为多个时间段，在每一个独立时间段内，主均衡器只对一个电池单体进行均衡，因此，电池组中所有单体电池可以独立均衡，均衡电路更易于扩展和维护[21]。文献[19， 20]改进了飞渡电容均衡电路，但其仍未解决电池电压相近时均衡电流小、均衡速度慢等問题。文献[21]研究了开关矩阵与flyback相结合的均衡电路，但其仅能实现能量的单向流动，均衡速度相对较慢。文献[22]提出了开关矩阵与变压器相结合的均衡电路，实现了能量的双向流动，但变压器的采用，增大了均衡器体积，同时降低了均衡精确度。

本文针对传统集中式电池均衡电路体积大、不易扩展，分布式均衡电路存在元件多、成本高的问题，提出将Buck-Boost变换器与开关矩阵相结合的方式实现对电池组的均衡。通过对电感的时分复用，可有效减少均衡电路元器件数量，从而降低均衡电路的体积、重量和成本，同时均衡过程中电感电流工作于断续模式，有效消除了各电池之间的交叉影响。本文研究了该均衡电路的工作原理，并根据工作原理提出一种快速消除各电池单体电压不一致性的均衡控制策略，最后通过四电池均衡实验进行了验证。

1 均衡电路拓扑

所提出的单电感双向电池均衡电路如图1所示，它包含电池组、开关矩阵和电荷保持器3个部分。

开关矩阵选通电池组中的一个电池单体连接到电荷保持器，在电池组的均衡过程中，电感以复用的方式对每一个电池单体进行均衡，电荷保持器有Buck模式和Boost模式两种工作模式，并不断在两种工作模式间切换。为降低开关损耗，开关矩阵以低频方式工作，根据电池电压选通电池单体与电荷保持器连接，电荷保持器中开关管SQ1和SQ2以高频方式工作，实现能量的转移。

以电池单体B1、B2为例，假定均衡电路需要将电池B1中的能量转移到电池B2，电池单体B1和电池单体B2的能量转移路径如图2（a）和图2（b）所示。

根据时分复用原理，控制器首先分别给电池B1和电池B2分配互补的时分复用脉冲SB1和SB2。在SB1为高时，如图3中ta-tb时间段，均衡电路仅对电池B1进行均衡;同理，在tb-tc时间段，均衡电路仅对电池B2进行均衡。

ta到tb时间段：如图3所示，在ta时刻，电池B1的均衡控制脉冲SB1输出高电平，同时，由于电池B1电压高于电池组平均电池电压，电池B1所对应均衡电路工作于Boost模式，开关管S1、S2导通，电池单体B1通过S1、S2、DA、DB与电荷保持器连通，开关管SQ1关断，SQ1的体二极管、开关管SQ2、电感L、储能电容C1与电池B1一起构成Boost变换器，如图2（a）所示，通过控制SQ2把电池单体B1的电荷转移到储能电容C1。

tb到tc时间段：如图3所示，在tb时刻，电池B2的均衡控制脉冲SB2输出高电平，同时，由于电池B2电压低于电池组平均电池电压，电池B2所对应均衡电路工作于Buck模式，开关管S2、S5、SA、SB导通，电池单体B2通过S2、S5、SA、SB与电荷保持器连通，开关管SQ2关断，SQ2体二极管、开关管SQ1、电感L、储能电容C1与电池B1一起构成Buck变换器，如图2（b）所示，通过控制SQ2把储能电容C1的电荷转移到电池单体B2。

在均衡过程中，能量不断从电池单体B1转移至电容C1，再由电容C1转移至电池单体B2，最终实现两个电池单体的均衡。

n个电池的均衡与两个电池均衡过程类似，首先，控制器对每个电池Bi分配互补的时分复用脉冲SBi，即对每个电池分配独立的均衡时间段。在电池Bi对应的均衡时间段内，均衡电路仅对电池Bi进行均衡，其余电池均不参与均衡。当电池Bi电压高于电池组平均电压时，均衡电路工作于Boost模式，电池Bi将能量转移至电容C1;反之，当电池Bi电压低于电池组平均电压时，均衡电路工作于Buck模式，电池Bi从电容C1吸收能量。

2 均衡电路工作原理

为消除均衡过程中各电池之间的交叉影响，本文仅研究电感电流工作于断续模式（DCM）的均衡电路。下面以电池单体B1、B2的均衡过程为例，分析均衡电路的工作原理和工作模态分析。为简化分析，作如下假设：

1）开关管为理想器件;

2）不考虑二极管管压降;

3）一个开关周期内电容和电池端电压恒定。

2.1 Boost工作模式

电池组平均电池电压为

当电池Bi的电压VBi高于电池组平均电池电压V-Bn（下面以电池B1为例），其所对应的均衡电路工作于Boost工作模式。在此过程中，开关矩阵将电池B1与电荷保持器连接成Boost变换器，电池B1对外放电，均衡过程对应于图3中ta-tb时间段。图4（a）和图4（b）分别为工作于Boost模式时，电池B1的均衡路径及等效电路，图5为对应的电感电流波形。

2.2 Buck工作模式

当电池Bi的电压VBi低于电池组平均电池电压V-Bn（以电池B2为例），其所对应的均衡电路工作于Buck工作模式。在此过程中，开关矩阵将电池B2与电荷保持器连接成Buck变换器，电池B2充电，均衡过程对应于图3中tb-tc时间段。图6（a）和图6（b）分别为工作于Buck模式时，电池B2的均衡路径及等效电路，图7为对应的电感电流波形。由图6和图7可知，电感L电流为负，电池B2吸收能量。

3 均衡控制策略

由提出的電池均衡电路工作原理及分析可知，该均衡电路可工作于Buck/Boost两种工作模式，从而实现能量在电池单体间双向流动。根据文献[8]的建模方法，建立如图8所示电池均衡控制等效模型。

图8中ic为电池组工作于充电或放电状态时流过电池组的充放电电流，当ic>0时电池组处于充电状态，当ic<0时电池组处于放电状态，当ic=0时电池组处于静置状态。iBi为流过电池单体Bi的充放电电流。ZBi为电池Bi的特性函数，描述流过电池Bi的电流iBi与电池电压VBi之间的函数关系。由于各电池单体的特性函数ZBi不完全相同，故充放电过程中，流过电池组电流ic会引起各电池之间的电压差异。 在电池组的使用过程中加入电池均衡电路，可对流入各电池单体的电流iBi进行独立调节，从而保证电池组各电池单体电压的均衡。

本文提出的电池均衡电路工作于Buck/Boost两种工作模式，可对任一电池Bi进行充放电控制。图8中，Eq1i为均衡电路工作于Boost模式时，电池Bi向均衡电路放电的均衡控制函数。ie1i为此过程中流出电池的均衡放电电流，ie1i=Eq1iVBi。Eq2i为均衡电路工作于Buck模式时，均衡电路向电池Bi充电的均衡控制函数。ie2i为此过程中流入电池的均衡充电电流，ie2i=Eq2iVBi。Hi为均衡电流传递函数，由于开关矩阵根据分时复用原理选通电池Bi进行均衡，故 Hi=1/m，其中m为参与均衡的电池总数。

由时分复用原理知，均衡时，开关矩阵根据分时复用脉冲SBi，以固定时间Tsk将参与均衡的电池接入电荷保持器，在电池Bi均衡时间Tsk内，通过控制开关管SQ1和SQ2，实现对电池Bi的充放电控制。考虑到均衡过程中电感电流峰值过高，易降低均衡电路及电池单体使用寿命，故选取电池Bi的均衡时间段Tsk由p个开关周期Ts构成，如图9所示，Tsk=pTs，其中Ts为开关管SQ1和SQ2的开关周期。参数p的选取综合考虑电感电流峰值、均衡精确度及电路损耗等因素。在Tsk不变时，减小p则Ts增大，电感电流峰值增大，从而降低均衡电路及电池单体使用寿命。增大P则Ts减小，即开关矩阵工作频率增高，增加均衡电路损耗。

假设在Tsk时间段内电容电压稳定，则均衡电路工作于Boost工作模态时，Tsk时间段内电感电流的平均值，即电池Bi流入均衡电路的均衡放电电流ie1i为

式中ΔVDT为电池组中电压最高单体电池与电压最低单体电池的电压差，k为影响均衡速度的比例因子，VTH1、VTH2为均衡控制阀值，VTHmin为电池之间所允许的最小电压差。2|VBi-V-Bn|≤VTHmin时，电池Bi无需均衡; VTHmin<2|VBi-V-Bn|<（VTH2-VTH1）时，电池Bi以中等速度均衡;（VTH2-VTH1）≤2|VBi-V-Bn|≤VDT时，电池Bi以最高速度，全速均衡。

4 实验验证

4.1 实验参数

本文设计了一台4个单体电池的单电感双向电池均衡电路实验样机。实验样机如图10所示，其主要电路参数如表1所示。

实验时，选用4个额定电压为3.7 V的2 Ah锂电池，分别进行静置均衡、充电均衡和放电均衡实验。静置均衡时，4个电池单体电压分别为：3 582 mV、3 459 mV、2 967 mV、3 322 mV;充电均衡实验时，电池组以1 A恒定电流充电至15.4 V;放电均衡实验时，电池组接入15欧姆电阻放电至11.2 V时结束实验。

4.2 实验结果分析

图11给出了静置均衡时的关键波形，其中VS1为开关管S1的驱动波形，iL为电感电流，iB1为电池B1放电电流，iB3为电池B3充电电流。由VS1和iL波形可知，电感以时分复用方式工作于Boost及Buck模式，电感电流工作于断续模式。当均衡电路工作于Boost模式时，电池B1释放能量;当均衡电路工作于Buck模式时，电感电流为负，电池B3吸收能量，均衡电路不断将电池B1中能量转移至电池B3中。

图12为静置均衡时4个锂电池单体的电压变化过程，均衡器启动前各电池单体电压满足：VB1>VB2>VB4>VB3。整个均衡过程可分为3个阶段：1）均衡电路将电池B1中能量转移至B3，此阶段电池B2和B4不参与均衡;2）当电池B3电压上升至与B4电压相等时，均衡电路把电池B1的能量均分给电池B3和B4，电池B2仍然不参与均衡;3）当电池B1电压下降至等于电池B2电压时，电池B2也参与均衡，电感在4个电池之间时分复用，电池B1和B2共同释放能量，电池B3和B4吸收能量，均衡电路把电池B1和B2释放的能量转移到电池B3和B4，当所有电池的电压差小于20 mV时，均衡停止。

图13（a）、图13（b）分别为充电状态和放电状态时4个电池单体电压变化过程。

由图12和图13可知，无论在充电、放电，还是静置状态，所提出的单电感双向电池均衡电路均能快速实现各电池单体电压均衡，且保持均衡精确度在20 mV内。

5 结 论

本文将Buck-Boost变换器与开关矩阵相结合提出了一种单电感双向电池均衡电路，通过理论分析及实验验证获得如下结论：1）该均衡电路通过复用电感实现各电池单体电压均衡，相对于集中式和分布式均衡器，减少了电路元件，降低了均衡器体积和成本。2）通过对电感的时分复用控制可实现各电池单体电压的独立调节，均衡精度较高，同时电感电流工作于断续模式，有效消除了各电池之间的交叉影响。3）实验结果表明，本文提出的控制策略可有效消除电池的不一致性，同时其还具有控制简单，易于实现的特点。4）本文所提均衡电路能够实现电池单体间能量的双向、高效、快速传输，非常适用于高性能、低成本电池均衡场合。

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（編辑：贾志超）