基于双向反激变换器的锂电池组均衡系统设计*
2021-03-26朱恩来李媛媛陈少棠
朱恩来， 李媛媛， 陈少棠， 滕 力
(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)
0 引 言
动力电池组作为纯电动汽车的动力来源得到广泛应用[1]。锂离子电池目前被认为是最受欢迎的可充电电池类型之一，因为它具有能量密度高，无记忆效应，低自放电等特性。许多锂离子电池单元在应用中通常以串联的方式连接，以满足高功率和高电压的要求[2]。但是，由于电气、化学特性和操作环境的不同，电池组中串联的电池单元将会产生不均衡的现象[3]。在重复充放电过程中电池单元间的不均衡会变得越来越严重，这会导致电池组寿命和性能受到极大影响[4]。如果不对各电池单元进行均衡处理，就会引起一个或多个电池单元发生过充或过放电的现象，加速电池的老化甚至造成永久性的损坏[5]。
常见的均衡方法是能量耗散型均衡(被动均衡)，将电压过高的电池通过分流电阻放电，这种方法设计、控制和执行非常简单。但是，电池能量以热能形式损失造成能源浪费，同时会使系统温度升高，缩短了电池的工作时间[6]。另一种均衡方法是能量转移型均衡(主动均衡)，主要利用电容、电感、变压器等来实现电池单体间的能量转移[7]，均衡过程中消耗的能量少。国内外研究主要集中于主动均衡策略：基于电容的均衡方法中，电容用作能量存储器以将多余能量从高压电池转移到较低电压电池[8]，但当相邻电池的电压差较低时，均衡电流很低，均衡速度慢，甚至无法均衡。基于电感的均衡方法能量只能在相邻电池单元间快速转移，在不相邻的电池间均衡速度将大大降低[9]。文献[10～12]基于变压器进行电池均衡，很好地解决了前两种方法存在的问题，但是基于变压器进行单向均衡在均衡少量电池组时具有较好的均衡表现，当需要对大量电池进行均衡时，需要使用大量多绕组变压器，这会增加系统磁化损耗，同时增大系统体积。
本文在传统变压器电路基础上结合变压器反激原理，提出了一种双向反激变换均衡系统。首先，使用基于LTC6802—1的均衡电路采集电池电压信号和进行电池均衡，每个均衡电路能够监控达到12串电池,并且多个LTC6802—1均衡电路可以串联连接和通信，以监控多达数百个电池[13]。然后，使用两个反激变换器作为电池组充电和放电的通道。同时，均衡电路与微控制器STM32F103进行通信，并执行模块化算法。上位机内置的控制程序可以很好地控制整个系统。最后，搭建均衡实验平台，验证所提出的均衡电路和控制策略的可行性和有效性。实验结果表明，所设计的均衡系统误差较小，均衡速度快，且能够在使用相对较少的元器件情况下达到良好的均衡效果。
1 均衡系统整体结构
所设计的均衡系统的优点在于能量在单体电池与电池组之间相互转换，而不是以热能的形式大量损耗。所有电池共享一个反激变换器，降低了电路复杂性。如图1所示，为简化分析，本文以其中一个模组的4串标称电压为3.7 V的不同电池荷电状态(state of charge，SOC)的电池组为研究对象，所设计的均衡系统包括上位机(PC)、主控制器、基于LTC6802—1的采集均衡电路、电池组与开关、反激变换器。控制器与均衡电路通信，均衡电路采集电池单元的状态并打开/关闭电池单元开关。上位机与控制器通信，同时控制器控制反激变换器的开关，系统整体运行实现电池组均衡。
图1 均衡系统整体结构
2 均衡电路设计与系统工作原理
2.1 均衡电路设计
所设计的均衡电路由双向反激变换器和电池组以及相应的开关组组成，如图2所示。其双向反激变换器是由两个相反方向的DC-DC变换器组成，利用变压器反激原理实现双向电池均衡。模组内电池为4串电池组，每个单体电池两端分别连接控制开关，由均衡电路发出的控制信号控制开关的通断，实现不同单体电池的充电与放电。
图2 均衡电路原理
2.2 系统工作原理
系统对于电池均衡的实现是通过将单体电池多余的能量转移回电池组来均衡过充电池以及通过从电池组转移能量至单体电池来均衡欠充电电池。控制器与均衡电路通信，均衡电路采集电池的电压信号并打开/关闭单体电池开关。基于电池状态，控制器执行电荷均衡算法并产生作用于反激变换器的调节脉宽调制(pulse width modulation,PWM)信号，以通过对过充电电池放电或对欠充电电池充电来保护和均衡电池。反激变换器在充电或放电过程中提供电流通道。电池开关允许特定单体电池通过反激变换器连接到电池组，以便根据过充电或欠充电的电池状态分别进行放电或充电。
假设图2中单体电池1为欠充电电池，则需要通过从均衡电路控制接通相应的电池开关S1，S1′来执行对它的均衡。然后，微控制单元(micro control unit,MCU)为反激变换器的开关K1产生经调节的PWM信号，以允许欠充电的电池1从电池组充电。同样地，假设单体电池4为过充电电池，在均衡电路检测到其过充后通过激活相应的电池开关S4,S4′并将调节的PWM信号发送到反激变换器的开关K2来放电到电池组以进行均衡。在均衡周期为T的时间内从电池组传送到欠充电电池的能量Q1(T)满足
(1)
这是在此期间从电池组释放的平均能量,同样地，在均衡周期T内，过充电电池传送到电池组的能量Q4(T)满足
(2)
从电池组输出的平均功率Pouta等于平均输入功率Pina乘以转换器效率η
Pouta=η×Pina
(3)
反激变换器的开关在电压应力的安全范围内运行，PWM开关信号的最大占空比Dm为
(4)
式中Vin_mi和Vin_ma为电池组的最小和最大电压，VDS_mi和VDS_no为开关上的最小和标称电压应力。
变压器的匝数比n和互感Lm为[14]
(5)
(6)
式中N1和N2分别为初级绕组和次级绕组匝数，Vout为输出电压，Pin为输入功率，f为开关频率，η为转换效率，视为85 %。通过设置反激变换器的互感、变压比，电压传输系数来调节所需变换器的输出功率，使变换器在均衡时以可承受的电压/电流应力运行。
控制器采用的SOC估计算法为安时积分法，锂离子电池的实时SOC为
(7)
式中SOC0为锂电池初始SOC，C为锂电池标称容量。
3 均衡控制策略
均衡控制策略是通过判断各个电池的状态，选择相应的均衡操作，进而控制相应开关的通断，达到均衡目的。所提出的均衡算法流程图如图3所示。均衡电路读取电池的电压并与控制器通信。控制器从均衡电路收集数据，将电池电压与所设置的阈值相比较粗略分类出过充与欠充电电池，然后估算SOC并将结果与所设置的阈值进行比较，检测不均衡电池单元，并向均衡电路发送指令以激活相应电池的开关和反激变换器的运行，进行充电或放电均衡。
图3 均衡策略流程图
假设电池1为过充电电池，在进行初始化系统之后，均衡电路首先会采集电池组中各个电池的电压，并与所设置的最高阈值Vmax进行对比；对比后会有V1>Vmax，此时系统会将电池1视为过充电电池，然后估算其剩余容量SOC1，并将其与电池组当前剩余容量均值的绝对差值|SOC1-SOCa|作为均衡是否开启的条件，如果|SOC1-SOCa|>2 %，则表明电池1确定是不均衡的，进行放电均衡：控制与电池1对应的开关，产生用于对其放电的PWM信号，控制反激变换器允许均衡电流放电；如果|SOC1-SOCa|<2 %，即使V1>Vmax，也判定电池是均衡的，继续进行电池的检测。SOCa是所有电池SOC的均值。同理，假设电池4是欠充电电池，在与所设置的最低阈值Vmin进行比较后，如果V4
4 测试验证
4.1 系统误差验证
系统实验装置如图4所示，在实验装置中，控制器通过串行外设接口(serial peripheral interface，SPI)与上位机(upper computer,PC)和均衡电路通信。控制器采用均衡控制算法编程，控制接口通过上位机在PC中创建。在控制接口中，提供均衡集成电路寄存器、电池电压读数和充电/放电状态的指示器，以确定整体系统性能。并为过充电和欠充电阈值、充电和放电时间以及反击变换器的PWM控制设置控制程序。控制程序使用控制器STM32F103和均衡集成电路LTC6802—1进行测试。开关由均衡电路发送的信号控制，从而为均衡电流构建双向通道。需要注意的是，只有当来自控制器的PWM信号反激变换器时，才会启动充电或放电过程。在任意时间内，只有一个不均衡电池在进行均衡过程。表1显示了均衡电路获得的电压读数与手动使用万用表测量读数之间的比较以及二者之间的误差。结果表明系统误差很小，具有很好的可靠性。
图4 均衡系统实验装置
表1 系统采集数据比较V
4.2 实验结果分析
图5所示为电池均衡过程中电压的变化，V1～V4分别表示电池1～电池4的实时电压，从实验结果可以看出，系统对4串电池组进行均衡后，整体电压趋于稳定的状态，电压虽有波动但基本达到了一致水平，均衡性能良好。
图5 均衡过程电池电压曲线
图6所示为这4串电池组中不同SOC单体电池的均衡曲线，并分别与电池组实时SOC的均值(average)进行了比较，由于实际系统会有一定的能量损耗，实时SOC均值有略微下降，但基本可以忽略不计。结果表明，与均值SOC差值越大的电池，均衡时间越长，最短均衡时间约为845 s，最长均衡时间约为2 872 s，整体均衡速度较快。
图6 各单体电池SOC均衡曲线
5 结 论
本文介绍了电动汽车锂离子电池均衡系统的设计方法。使用4个锂离子电池和一个均衡电路板进行测试和实验。实验结果表明:所设计的均衡系统误差较小，均衡速度快，能够稳定良好地均衡电池组内的过充和欠充电电池，提高电池的可靠性和安全性。利用相同的算法，可以实现更多的均衡电路从板来采集和均衡更多电池，以实现电动汽车应用中的实际功率和电压供应。同时，所设计的系统只需一对反激变换器即可实现电池的均衡，不需要过多的变压器结构堆栈，降低了系统结构的复杂性。
