退役锂电池梯次利用主动均衡方法研究

杨 扬， 谢长君， 朱文超

(1. 武汉理工大学自动化学院， 湖北 武汉 430070； 2. 武汉理工大学汽车工程学院， 湖北 武汉 430070)

1 引言

退役锂电池容量通常为额定容量的70%～80%，经过分选后，仍具有良好的放电能力，可以梯次利用于储能系统[1，2]。出厂差异、环境因素、过充电和过放电以及长期使用等原因，造成退役锂电池单体之间存在严重差异。电池组“木桶效应”会造成电池组放电容量降低和电池寿命缩短，电池过充或过放甚至会引起安全事故[3]。退役电池组梯次利用前进行均衡，是改善退役电池组不一致性、延长使用寿命的有效方法。

目前，均衡方法分为主动均衡和被动均衡。被动均衡是能量耗散型均衡，存在均衡效率低和均衡散热问题。主动均衡方法研究主要包括均衡电路和均衡策略两方面。国内外学者提出的一些均衡拓扑，涉及开关电容法、开关电感法、DC-DC变换器法、变压器法等。开关电容均衡方法的缺点是均衡时间长、成本高。文献[4]提出基于多绕组变压器的单体电池间均衡方法，文献[5]提出基于双向反激式DC-DC变换器的充电均衡器，它们的优点是均衡速度较快，均衡效率较高，但是存在开关时序复杂和磁饱和的问题。文献[6]提出基于多开关电感的均衡电路，只能实现相邻电池单体间均衡。文献[7]提出一种单电感双向均衡电路，可以实现任意单体电池间均衡，但是当电池数量多时，均衡时间较长。目前，均衡策略主要包括基于电压差的均衡[8]、基于SOC的均衡[9，10]、基于容量差的均衡[11]和基于剩余可用能量的均衡[12]等。

集中式均衡电路具有结构简单、成本低的特点，分布式均衡电路易于实现独立控制、可扩展性强且易于维护。结合两种均衡电路的优点，本文提出基于Buck-Boost电路的分组双向主动均衡拓扑结构，电池小组内和电池小组间分别采用基于电感的集中式双向均衡拓扑和分布式均衡拓扑。荷电状态(State of Charge, SOC)SOC作为均衡变量，以从某电动环卫车上退役的12个电池为例进行静置均衡和充电均衡实验验证。

2 退役电池分选

本文的退役锂电池来源于东风汽车有限公司生产的电动环卫车。退役锂电池的出厂参数为：额定容量40 A·h，标称电压3.2 V，内阻1 mΩ，充电截止电压3.6 V，放电截止电压2.5 V，标准充放电电流为0.3 C。整个退役电池组共有106个电池，在对退役电池进行均衡前，需要对退役电池进行分选，过程如下：

(1)从106个退役电池中筛选出50个外观较好的退役电池。

(2)进行电压分选。①测量50个退役电池的开路电压(OCV)，从中选出电压在2.4～3.2 V之间的退役电池36个。②为了防止过充，将36个退役电池以10 A恒流充电2 h，测量每个电池的电压。充电后电压大于3 V的退役电池有30个，它们具有梯次利用价值。

(3)进行容量分选。由于退役电池的容量远低于出厂电池的容量，在对其进行均衡前，需要重新标定额定容量。容量试验依据国家标准GB/T 34015—2017《电动汽车用牵引电池回收剩余容量试验》，步骤如下：①常温下，放掉退役电池的剩余能量并静置15 min；②以1 C恒流充电至充电截止电压3.6 V，然后转恒压充电至电流为0.05 C；③静置0.5 h；④以1C恒流放电至放电截止电压2.5 V，记录放电容量；⑤重复步骤①～④共3次，以3次放电容量的平均值作为退役电池新的额定容量。30个退役电池的新的额定容量分布如图1所示，可以看出，大多数退役电池的容量在24～32 A·h之间，从中选取了12个额定容量较大的退役电池作为本文的研究对象，编号为B1、B2、…、B12，新标定的额定容量依次为33.4 A·h、31.6 A·h、32.3 A·h、32.4 A·h、30.7 A·h、31.1 A·h、31.2 A·h、30.9 A·h、30.6 A·h、30.7 A·h、30.5 A·h、29.8 A·h。

图1 30个退役电池新标定的额定容量

3 均衡电路拓扑

为了提高均衡效率，提出如图2所示的基于Buck-Boost电路的分组双向主动均衡拓扑结构，具有均衡电路结构简单、可扩展性强等优点。将n个退役电池分成m个小组，每组包含p个退役电池。每个退役电池小组包含1个组内均衡子电路，即共有m个组内均衡子电路；组间均衡电路共有m-1个。均衡结构中还包含采集电压、电流等信号的检测电路、均衡主控制器和驱动电路，以及均衡主控制器根据实时采集的退役电池相关参数，执行相应的均衡算法，对整个退役电池组进行均衡控制。在本文中，将分选之后的12个退役电池分成3个小组，每个电池小组由4个退役电池串联，3个小组分别表示为P1、P2和P3。

图2 基于Buck-Boost电路的主动均衡拓扑

电池组内采用基于单电感的集中式双向主动均衡拓扑结构，如图3所示，包含由p个退役电池串联的电池小组、开关矩阵和储能单元，其中储能单元包括1个储能电感L、4个MOSFET管和4个二极管。开关矩阵S1～S2p实际是MOSFET管，均衡电路只用到MOSFET管的正向导通特性，以消除MOSFET管的体二极管带来的电池短路的危险。该均衡电路可以实现电池小组内任意单体电池间的能量转移，具有能量传输效率高、电路结构简单、成本较低的优点。

图3 基于单电感的集中式主动均衡拓扑

电池组间采用基于电感的分布式均衡拓扑结构，可以实现相邻电池小组间的能量转移，如图4所示。每两个电池小组之间共用1个储能电感，如电池小组Pm-1和电池小组Pm之间均配有电感Lm-1。由m个电池小组串联的组间均衡电路包括2m-2个MOSFET管和m-1个储能电感，具有控制简单、可扩展性强和易于模块化等优点。

图4 组间分布式主动均衡拓扑

4 均衡电路原理

4.1 组内均衡电路

为了提高均衡电流和均衡能量利用效率，避免电池之间相互影响，将组内均衡电感电流工作于断续(Discontinuous Current Mode, DCM)模式。为了分析简便，不考虑二极管和MOSFET管压降。假设在电池小组P1中，需要将电池B2的能量转移到电池B1中，能量转移路径分别如图5(a)和图5(b)所示。组内均衡电路关键波形如图6所示。

图5 电池B1和B2能量转移路径

图6 组内均衡电路关键波形

0～t1阶段，S3、Sa1、Sb1、S4导通，如图5(a)所示，电池B2经过S3、Sa1、VDa1、L、VDb1、Sb1和S4构成的均衡路径将能量转移到储能电感L中。电感电流从0开始线性上升，有：

(1)

式中，iB2和iL分别为电池B2和电感L的电流；VB2为电池B2的端电压。设占空比为D，高频开关管周期为T，则电流最大值iL(max)为：

(2)

电池B2放电过程中释放的电荷量QB2为：

(3)

t1～t2阶段，S3、Sa1、Sb1、S4关断，如图5(b)所示，电感L经过VDb2、Sb2、S1、B1、S2、Sa2、VDa2组成的均衡路径将电感L储存的能量转移到电池B1中。电感电流从最大值线性下降到0。

t2～t3阶段，电感电流为0。

4.2 组间均衡电路

以电池小组P1、P2为例，假设电池小组P2向电池小组P1转移能量。MOSFET管由PWM信号控制，设均衡占空比为D，使电感工作在DCM模式，均衡电路在一个均衡周期T内的工作原理如下。

第一阶段，如图7(a)所示，Q2导通，电池小组P2向电感L1转移能量，电感电流从0开始线性上升到最大值，电感L1的电流为：

(4)

电感L1电流最大值为：

(5)

第二阶段，如图7(b)所示，Q2关断，电感L1通过Q1的体二极管VDQ1给电池小组P1充电，电感电流从最大值线性下降到0，电感电流为：

图7 电池小组P1和P2能量转移路径

(6)

第三阶段，Q1和Q2关断，电感电流为0。

5 均衡策略

本文选择退役电池SOC作为均衡目标变量，可以很好地判定电池组一致性，且不用考虑单体电池额定容量的差异，使单体电池能同时达到其充、放电截止电压，提高电池组容量利用率。采用本文提出的基于平方根无迹卡尔曼滤波的锂电池荷电状态估计方法[13]进行SOC估算。

综合考虑均衡时间和均衡能量利用效率，取占空比D为45%，最大均衡电流约4 A，开关频率为1 kHz，根据式(2)和式(5)，取组内均衡电路电感和组间均衡电路电感分别为0.35 mH和1.4 mH。采用先组内均衡、后组间均衡的策略实现整个退役电池小组均衡，即首先使各电池小组内部实现均衡，然后进行电池小组间的均衡控制。

由于组内均衡电路可实现任意单体与单体电池之间均衡，采用均值-差值法能提高均衡效率，均衡流程为：

步骤1)估算每个退役电池的剩余容量SOC(i)，并计算该电池小组内所有单体电池的SOC平均值SOCavg。

步骤2)设定组内均衡阈值ΔSOC。

步骤3)判断|SOC(i) -SOCavg|是否大于ΔSOC，若是，则执行步骤4)；否则执行步骤6)。

步骤4)SOC最大的退役电池单体向SOC最小的退役电池单体转移能量。

步骤5)循环执行步骤3)和步骤4)。

步骤6)组内均衡结束。

组间均衡电路实现相邻电池小组间均衡，采用极差法与相邻差值法相结合的混合均衡策略。既利用相邻差值法控制简单且均衡速度快的优点改善相邻电池小组间的一致性，又可以使某个SOC最大或者最小的电池小组实现较快均衡，以减小整个电池组极差。均衡流程如下：

步骤1)设定相邻差值法均衡阈值ΔSOCA和极差法均衡阈值ΔSOCJ。

步骤2)估算每个电池小组的SOC平均值SOCavg(m)。求SOCavg(m)之间的极差r和相邻电池小组的最大差值rAmax。

步骤3)若r>ΔSOCJ且rAmax>ΔSOCA，执行步骤4)；若r>ΔSOCJ且rAmax≤ΔSOCA，执行步骤5)；若r≤ΔSOCJ，执行步骤6)。

步骤4)进行相邻电池小组间能量转移。循环执行步骤3)。

步骤5)SOC平均值最大的电池小组向SOC平均值最小的电池小组转移能量，若这两个电池小组不相邻，则还需借助相邻电池小组作为能量转移媒介。循环执行步骤3)。

步骤6)组间均衡结束。

6 实验与结果分析

将图8(a)所示的ITECH ITS5300电池测试系统与图8(b)所示的均衡测试台架集成，用于退役电池均衡实验。均衡测试台架包括电池管理系统、均衡主控电路、开关阵列、电压电流检测电路、供电电源等。

图8 实验硬件实物图

组内均衡阈值ΔSOC设定为0.5%，组间相邻差值法均衡阈值ΔSOCA和极差法均衡阈值ΔSOCJ分别为0.5%和1%。

图9所示为静置均衡时退役电池SOC变化过程，均衡分为以下阶段：

图9 静置均衡时电池SOC变化过程

(1)0～1 140 s，电池小组P1、P2和P3组内均衡，在1 140 s左右，电池小组P1组内均衡完成。

(2)1 140～2 220 s，只有电池小组P2和P3进行组内均衡，在2 220 s左右，电池小组P2组内均衡完成。

(3)2 220～2 280 s，只有电池小组P3进行组内均衡，在2 280 s左右，电池小组组内均衡全部完成。

(4)2 280～5 880 s，电池小组间均衡，整个退役电池组静置均衡时间约98 min。退役电池均衡前后参数对比见表1，静置均衡前后退役电池组单体电池SOC极差分别为10.2%和2%，单体电池与退役电池组SOC平均值的最大偏差分别为5.2%和1%，均衡电荷转移效率为70.06%。

表1 退役电池均衡前后参数对比

对退役电池组进行恒流充电，当任意单体电池电压达到充电截止电压3.6 V时，停止充电。均衡前退役电池组单体电池SOC极差为10.9%，单体电池与退役电池组SOC平均值的最大偏差为5.62%。图10(a)所示为退役电池组无均衡充电时SOC变化，充电87 min后退役电池组单体SOC极差为6.98%。仅对退役电池进行恒流充电并不能减小单体SOC差异，而本实验中恒流充电使退役电池组SOC差异变小的原因是退役电池新标定的额定容量不同，导致不同退役电池在相同时间内恒流充电所增加的容量不同。图10(b)所示为充电均衡时电池SOC变化过程，充电均衡时间约为87 min，达到均衡状态时退役电池组单体电池SOC极差为1.94%，单体电池与退役电池组SOC平均值的最大偏差为0.98%，均衡电荷转移效率为65.31%。

图10 充电时电池SOC变化过程

7 结论

本文针对退役锂电池数量多且存在严重不一致性的问题，结合集中式均衡拓扑和分布式均衡拓扑的优点，提出基于Buck-Boost电路的分组双向主动均衡电路，以SOC为均衡判据，分别采用均值-差值法和极差法及相邻差值法结合的均衡策略，可同时均衡多个退役电池，具有控制简单、成本低、可扩展强等优点。

搭建均衡实验台架，以12节退役电池为例进行静置均衡和充电均衡实验。结果表明，本文提出的均衡方法能够快速改善退役电池组的不一致性，均衡时间较短。虽然均衡电荷转移效率不高，但是改善退役电池组的不一致性，以提高电池组容量利用率，对于退役电池梯次利用更为重要。