基于SOC估算的锂电池组复合型均衡拓扑设计

2020-02-20倪贤钋秦菲菲卢陈雷玄东吉

通信电源技术 2020年1期

倪贤钋，秦菲菲，卢陈雷，玄东吉，王标

（1.温州商学院信息工程学院，浙江温州 325000；2.温州大学机电工程学院，浙江温州 325000）

0 引言

现今，锂电池具有高功率、高效率、良好的安全性等方面的优点，在电动汽车领域得到了广泛的应用[1]。单个铅蓄电池的标称电压为12 V，在实际应用中需要通过一定数量的单体电池串联组成电池组来供给电动汽车的不同工况[2-4]。即实际应用中，电动汽车往往需要搭载上千节锂电池，这样才能提供足够的电量满足电动汽车的日常驾驶需求。然而，锂电池在出厂前生产与出厂后使用都会造成各个单体电池之间的内阻和容量不同，随着单体电池的使用时间增加，各个单体电池特性差异会越来越大，会出现电池组中个别单体电池出现过充过放的现象，影响单体电池的寿命。使用锂电池组对电池组采用电池均衡管理是有必要的，设计合理的均衡子电路，减小各个单体电池之间的特性不同所带来的影响，同时可以提高单体电池寿命和利用率。

针对锂电池组的均衡电路和策略已经进行了深入研究，文献[5]比较了多种主动均衡拓扑结构的优缺点，为实际工况中提供了一些合适的均衡策略选择。文献[6]提出了改进式的Buck-Boost均衡电路，转移电量速度很快，但是只能使用于单体之间的电池，如果用于电池组间的均衡，则需要大量的Mosfet开关管，逻辑控制困难。文献[7]提出的基于集中式变压器均衡系统，可以实现电池组间的电量转移，逻辑简单易于实现，但是由于组间内的一些单体电池，会难以避免的出现不均衡的情况。文献[8]提出的LC振荡电路均衡电路，可以提高电容电压，电池内的电量通过电压形式转移，均衡子电路的可控性较差；文献[9-11]使用的是电感均衡电路，电池内的电量通过电流形式转移，均衡子电路易于控制。

结合这些提到的均衡电路，本文使用的是一种复合式均衡电路，由单体电池均衡电路和电池组间均衡电路组合而成，其中单体电池均衡电路使用电感进行小规模均衡，电池组间均衡电路使用反激式变压器结构进行大规模的组间电量转移，并建立磷酸铁锂电池模型，通过判断SOC值给启动或者关断Mosfet开关管一个准确的信号，通过Matlab/Simulink搭建了均衡电路等效模型，仿真实验证明电路能够实现电池组间和单体电池之间的快速均衡，有利于提高电池的使用寿命。

1 磷酸铁锂电池的实验分析和仿真建模

1.1 磷酸铁锂电池实验分析

实验室采用NCR18650B型磷酸铁锂电池在室温条件下测量电池的外部特性，放电电压控制在2.4～4.2 V，新威BTS7.6x上位机系统每10 s记录电池放电时的电池端电压，图1为电流恒流脉冲放电的电流电压曲线，再使用Matlab的cftool工具箱，进行5阶曲线拟合，得出函数关系式（1），导出NCR18650B型磷酸铁锂电池的拟合放电曲线（见图2），再通过第七段放电曲线估算出电池的双阶RC和电池内阻的值，如表1所示。

图1 电流恒流脉冲放电的电流电压曲线

图2 OCV-SOC关系曲线

表1 参数辨识结果

1.2 磷酸铁锂电池的Matlab/Simulink仿真建模

本文使用安时积分法估计单体电池的剩余电量，电池初始初始状态为SOCo，那么可以通过公式（2）得出锂电池预估的SOC：

其中，I为电池电流，CN为电池的额定容量，η为充放电效率。

在MATLAB/Simulink中搭建如图3所示的磷酸铁锂电池仿真模型，安时积分法中的两个增益环节分别为1/12.5、1/3 600，电源采用可控直流电源，通过多项式拟合模块（Polynomial）拟合SOC-OCV曲线，公式取章节1.1拟合的式（1），再将电池仿真模型如图3所示进行封装成模块在之后的复合式均衡电路中使用。

图3 磷酸铁锂电池建模

2 磷酸铁锂电池串联电压均衡优化策略

2.1 磷酸铁锂电池单体不一致性的分析

根据锂电池的出厂前生产与出场后使用的流程，可以分析出，导致单体电池间使用特性不一致主要有如下两个原因。

（1）生产电池的过程中导致单体电池特性不同。不同单体锂电池的成分、生产过程等不同，电池内阻、初始电量、充放电的效率等方面都会受到影响，存在差异。

（2）单体电池在工况运行中导致单体电池特性不同。由于各个电池在出厂前的配置组装会有细微的差异，因此在出厂后电池组间会呈现相应运行差异，而且这种差异会随着时间的演变变得越发明显，对于单个电池，不同时间段所表现出电池性能差异很大。

串联电池组内各支电池呈现的电量差异现象都会最终致使整个电池组出现放电不均衡的现象，以至于减少锂电池的使用寿命，因此急需研究出一种高效且结构简单的电池均衡电路。

2.2 复合式均衡电路拓扑结构

本文提出的复合式均衡电路，由单体电池均衡电路和电池组间均衡电路组合，根据启动的时间不同分别简称为一级电路、二级电路。经过仿真证明，该电路能够实现电池之间能量的传递，且逻辑控制简单易于实现。

本文以4个单体磷酸铁锂电池为例，如图4所示。6个Mosfet开关管Q1～Q6，1个PFM波形发生器，D1、D2为二极管，储能电感L1、L2设为3.6 H，并联电阻R1、R2设为10 Ω。并联电阻的作用是消磁，可以防止电感磁化而导致的均衡效果变差。一级均衡电路为电池组内的均衡电路，通过电感之间的电能传递实现均衡，而二级均衡电路通过反激式的变压器进行电能的传递，变压器可以实现大量的电能转移适合电池组间的电能传递。

由于在实际的电池组中，单体电池数x可以为奇数或者偶数个，而二级电路需要将总的电池组分成两组小电池组进行均衡，所以当电池数为奇数时，y=（x+1）/2；当电池数为偶数时，y=x/2。其中y为二级电路的其中一组小电池组数。

2.3 复合式均衡电路工作原理

2.3.1 均衡电路中的开关管启停条件

（1）对于一级均衡子电路开关管的启停条件，当电池组间最高电池电压Vmax和最低电池电压Vmin之间差值为ΔVA=Vmax-Vmin＞0.01V时，一级均衡子电路启动，反之则停止。

图4 复合式均衡电路拓扑结构

（2）对于二级均衡子电路开关管的启停条件，电池组被分为两部分小电池组，开关管的启停判据为两部分电池组的平均电压差值，那么二级均衡子电路运行条件为公式（3）：

当两小组电池组的电压差ΔVB满足式（3）时，二级均衡子电路启动。当电压差ΔVB小于0.01 V时，上下两部分电池组电量达到均衡。

均衡子电路开关管所用的信号为PFM方波，其中设定的最高电压为1 V，最低电压为0 V，占空比调制为50%。该方波占空比恒定，PFM的频率受电压差ΔV的影响，而由于开关管中通断的时间越长，电路内一个均衡子放电时间相应延长，传递能量增多，组间电压差也在减小，当电压差值小于0.01 V时，开关管停止工作，均衡电路停止工作。具体工作流程图如图5所示。

2.3.2 复合式均衡电路的工作状态

（1）一级均衡子电路

假设4节电池为一个电池组，该电池组中BT2电压值最高，同时电压差值满足均衡电路的开关管的启停条件，一级均衡子电路的电流回路如图6所示。当电池BT2所在的回路中的开关管Q2闭合，BT2对电感L1充电；当均衡条件不满足条件时，开关管Q2关断，电感中所储存的电能通过开关管中的二极管传递给电量低的BT1，如图7所示。以此类推，BTn对应的开关管Qn开通时，BTn储存的电量可以通过给电感Ln充电传递给低电量电池BT1～BTn-1中，从而完成一级均衡子电路的工作。

（2）二级均衡子电路

二级均衡子电路采用反激式变压器结构。采用该结构优点在于可以很好的同时均衡多个电池，效率比电感和电容好很多。假设电池组下部分BT3、BT4的电压值大于上部分BT1、BT2的平均电压，且满足二级均衡条件式（3），则下半部分电池组需要对二级均衡子电路进行放电，电流回路如图8所示，电池BT3、BT4将多余的电量转换为磁能储存在变压器中；均衡条件不满足条件时，开关管Q7关断，变压器通过Q8的开通将能量传递给电池BT1、BT2，完成电量从下半部分电池组传递到上半部分电池组（见图9）。

图5 复合式均衡电路工作流程图

图6 一级均衡子电路开关管开通时电流流向

图7 一级均衡子电路开关管关断时电流流向

图8 二级均衡子电路均衡放电

图9 二级均衡子电路均衡充电

3 仿真和结果分析

为检验本文所封装的磷酸铁锂电池模型的可用性和复合式均衡电路的均衡效果，搭建基于Matlab/Simulink的复合式均衡电路仿真模型，如图10所示，均衡电路中用到了8个Switch开关管用于控制一二级电路的启停。

仿真复合型电路模型中，设置4节磷酸铁锂电池BT1、BT2、BT3、BT4的起始SOC分别为0.7、0.8、0.8、0.9。BT1与BT2为上电池组，BT3与BT4为下电池组，那么一级均衡子电路的均衡子电路的开关管运行条件为ΔV1＞0.01 V，二级均衡子电路的均衡运行阈值为上下两组电池组的平均电压差值ΔV2＞0.01 V。因为在实际工况中有3种工况，分别是静置均衡、放电均衡和充电均衡，所以在Simulink中分别仿真3种工况。

3.1 静置均衡

考虑到磷酸铁电池锂电池存在自放电现象，长期不使用电池，电池的自放电会影响单体电池的自身特性。为了防止电池组中单体电池的电压不一致性，及时的进行静置均衡，能够增加锂电池的使用寿命。电池组静态均衡下4节电池的SOC曲线如图11所示，电压曲线如图12所示。仿真证明本文的复合式均衡电路能够保证电池组在静置情况下电池出现的电压不一致性，提高了电池组的利用率和锂电池的使用寿命。

3.2 充电均衡

充电过程开始阶段，电池组单体电池开路电压存在不一致的情况，为了防止充电过程中电池组内单体电池出现过充电现象，应及时启动充电均衡模块。将仿真模型中4节磷酸铁锂电池BT1、BT2、BT3、BT4的起始设置的SOC值分别设置为0.6、0.5、0.5、0.4，充电恒流电流源的电流设置为12 A，充电电压的最高阀值设置为4.2 V。串联电池组充电均衡下4节电池的SOC曲线和开路电压分别如图13、图14所示。仿真曲线证明充电过程中，复合式均衡电路能够提高电池组电压在充电工况时的电量一致性，避免某些高电量的单体电池过充电的情况发生，有利于减少充电过程中电池组内的电量损耗。

3.3 放电均衡

放电均衡是最常见的工况，一般放电均衡都需要接入负载，如电动机等。一些单体电池的电压在电池组中可能高于其他电池，这会导致在放电过程中个别电池仍旧储存着较高的电能，其他低电压的电池会出现过放的情况，大大的减少了电池的寿命，进行放电均衡是必不可少的。仿真实验中，在电池组两端接入一个负载来模拟实际工况中的情况，设置电池组的放电电压为3 V。串联电池组放电均衡下4节电池的SOC曲线和各个电池的开路电压曲线分别如图15、图16所示。仿真证明，4节电池能在放电结束前维持电压均衡，避免了电池组内单体电池的过放电的情况，提高了电池的电量的利用率和寿命。