电容式Buck-Boost动力电池主动均衡系统参数计算与分析

陈善球 方瑞莲 徐浩然 周航

摘要：通过对电动汽车电池均衡系统功能、类型、工作过程进行分析，建立电容式Buck-Boost动力电池主动均衡系统的电路模型及数学模型，基于Matlab软件分析中间载体电容器电压、存储的能量随充放电时间的变化规律，为电动汽车动力电池系统参数匹配计算及方案选择提供参考。

关键词：电容;Buck-Boost;变化规律

0  引言

新能源汽车是汽车产业转型、升级的重要突破口，也是汽车产业在能源紧缺、环境污染背景下可持续发展的重要方向之一;在汽车电动化不可逆转的趋势下，纯电动汽车成为新能源汽车的典型代表，节能、环保的优势使其在乘用车、城市及短途领域中逐步普及。为使驱动电机获得足够的驱动力，并保证整车续航里程满足一定的要求，电动汽车需匹配由上百、甚至上千个单体电池组成的动力电池组。在制造过程中，即使都是合格品，每个单体电池的温度特性、电气特性、衰变速度、阻抗及容量等参数也会存在一定的初始性能差异，在纯电动汽车连续工作过程中，特别是在加速、爬坡等需要动力电池大电流放电的工况下，单体电池初始的不一致性会恶化，加速动力电池单体间的电池状态或电压等性能参数的差异。动力电池单体电池间或模块间的不一致性会使电池组容量效率下降，降低纯电动汽车的续航里程，因此，对动力电池实施均衡管理是必要的，是解决电池单体间或模块间不一致性问题的重要手段之一。

1  均衡电路模型分析

动力电池均衡技术是指人为干预电池组内的所有单体电池综合性能趋于一致，保证电池安全性及电池组性能的充分发挥。通常有被动均衡和主动均衡两种类型，被动均衡是通过对能量高的电池进行放电分流，以耗能的方式实现均衡;主动均衡是通过电容、电感及变压器等载体进行能量转移方式实现均衡。以电容式Buck-Boost动力电池主动均衡系统为例进行研究，系统方框图如图1所示，当电压检测单元检测到单体电池A与B之间的电压差达到均衡阈值时，均衡控制中心触发晶体管Q1导通，使能量高的单体电池A向中间存储单元电容器充电，充满电后Q1截至，同时触发Q2导通，电容器C向能量低的单体电池B放电，从而实现利用电容器作为载体将电压高的单体电池能量转移到电压低的单体电池。

以三个单体电池为一个模块，单体电池间以电容为中间存储单元的主动均衡电路模型如图2所示，电池组模块包含单体电池B1、B2、B3，中间能量存储单元为电容器C1、C2，均衡控制元件为N-MOSFET晶体管Q1、Q2、Q3、Q4;电压检测单元实时检测单体电池电压U1、U2、U3，并计算两两之间的电压差。相邻单体间的能量轉移工作原理为：假设单体电池B1的内阻大于单体电池B2的内阻，在充电过程，B1的电压先达到极限值;在充电末端实施均衡管理时，若ΔU12≧a（a启动均衡阈值电压），Q1的栅极G会得到一个触发电压，使Q1导通，B1给电容C1充电，充电结束时，Q1截至;Q2导通，C1给单体电池B2充电，实现单体电池B1将多余能量通过电容C1转移到单体电池B2。在放电过程中，因为B1的内阻比B2大，则B1耗电速度比B2快，同理，在停车放电末端进行均衡管理时，若ΔU21≧a，能量转移原理相同，只是Q1、Q2的触发导通顺序调换，即Q2先触发导通，完成给C1充电后截至，Q1方可导通，将C1的能量转移给单体电池B1。因此，基于该电路模型的单体电池可以通过升压或降压的方式实现均衡过程。

2  均衡数学模型分析

2.1 高电压单体电池给中间储能单元转移能量分析

首先研究动力电池在充电结束阶段的主动均衡管理，以电容为中间存储单元的相邻单体电池间的主动均衡包含电容器的充电过程和放电过程，首先分析充电过程。如图3所示，U1为单体电池B1的初始端电压，R1为电池、电容及晶体管的总内阻，UC1为电容器端电压;均衡开始时，晶体管Q1导通，单体电池B1经过晶体管Q1给电容C1充电，假设电容器C1无初始残留电荷。则充电到t时刻的电压平衡方程为：

2.2 中间储能载体向电压低的单体电池转移能量分析

高能量单体电池B1给电容元件C1充电结束后，晶体管Q1截至;同时晶体管Q2触发导通，C1放电，并向低能量单体电池B2转移能量，运用充电过程相同的分析方法可得放电过程电容C1的端电压与随时间的变化规律，

3  能量转移数据分析

假设已知U1=3.7V，U2=3.68V，C1=1000μF，R1=250mΩ，R2=200mΩ，单体电池容量CB=2200mAh，电容器电压值随充电时间（以时间常数为单位）的变化规律如图5所示。从图数据可知，理论上需要充电时间t=∞，电容器方可充满，但实际在经历6个时间常数后，充电基本结束;同理，在电容器给低电压的单体电池B2放电过程，电容电压随放电时间的变化规律如图5所示，经历6个时间常数后放电基本结束，则可得晶体管的占空比为0.5。一个均衡周期的时间。

将研究案例的已知参数代入式（9）及式（13）可得电容器存储的能量随充放电时间的变化规律如图6所示，经历6个时间常数的充电时间后电容器存储的能量达到最大值，在经历6个时间常数的放电时间后电容器存储的容量被释放完成，一个均衡周期可转移的能量为

从分析曲线及数据可知，在充电末端进行均衡时（均衡方向是B1往B2转移能量）在电容值、单体电池均衡初始电压、内阻值确定的前提下，均衡过程中电容电压值及电容存储的能量大小随均衡时间变化而变化，在1-3个时间常数范围内变化速度快，3-6个时间常数的时间里变化缓慢，且在第6个时间常数里达到充满或放完的极限。在停车放电末端进行均衡时，中间载体电容器的电容及存储能量随时间的变化规律与充电末端均衡的变化规律类似，但能量转移方向相反（B2往B1转移能量）。

4  小结

电动汽车主动均衡管理通过中间载体单元将高电压电池的能量转移给低电压电池，缓解因制造及使用差异带来的单体电池间不一致性问题，提高电池组的容量使用效率，从而提高整车续航里程。中间储能载体的类型选择、参数值分析与计算是影响均效果的重要因素。

参考文献：

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