基于可重构电池的稳压及均衡方法研究

廖 力，綦艺博，纪 锋

(1.湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室，湖北武汉 430068；2.武汉中原长江科技发展有限公司，湖北武汉 430090)

锂离子电池因其优良的性能被广泛应用于电动汽车及储能系统[1-2]。在日常的应用中，我们通常需要将大量性能参数尽可能相同的单体电池进行串联连接来获取更高的电压及功率[3]。但由于制造工艺的差别以及电池本身的特性，电池单元之间仍然会存在差异，这种差异可能导致过充或过放、容量衰减、安全等问题[4]。因此，电池组均衡对延长电池使用寿命有重要意义。均衡方式根据对能量的处理方式不同可分为被动均衡和主动均衡。被动均衡是通过并接电阻来耗散掉电池组中SOC较高的电池单体的多余能量，而主动均衡则是通过储能元件使能量在电池间传递[5]。董亮等[6]以电压为均衡变量并利用非隔离式均衡电路改善了电池组的一致性。此外，Song 等[7]介绍了可重构电池的电路拓扑研究状况，Bouchhima 等[8]在文献中提出了一种有效的可重构电池解决方案，但由于可重构电池的工作原理及放电时电压下降的原因，其输出电压相对不稳定。例如，NCM 锂离子电池的电压范围为3.0～4.2 V，如果负载串联供电的电池越多，则负载的电压范围就越大。

为解决上述问题通常会在电路中加上变换器。如图1(a)所示，可重构电池和其他均衡电路需要连接到DC/DC 转换器以保持电池组的电压。如图1(b)所示，EINHORN 等[9]提出为每个电池单元都配对一个DC/DC 拓扑，电池单元串联连接，而功率转换器并联连接到每个电池单元。如图1(c)所示，Huang 等[10]提出了一种电池和DC/DC 转换器构成一个功率单元的拓扑结构，可以通过改变电池串/并联的连接方式来获得所需的电压。

图1 不同DC/DC 变换器可重构电池拓扑

虽然使用DC/DC 转换器相对简单，但是存在控制复杂和能量损失等缺点。为了在没有DC/DC 转换器的情况下保持电池组的电压稳定，本文基于可重构电池，提出了一种无DC/DC 变换器新型可重构均衡电路，并提出一种控制策略。通过Matlab/Simulink 仿真验证在未使用DC/DC 变换器的情况下，所提出的电路能否在实现电池组电压稳定的同时降低电池组的不一致性。

1 均衡拓扑及分析

1.1 可重构电路原理分析

本节简要介绍可重构电池的工作原理。如图2 所示，可重构电池由n个电池及2n个开关组成。每个电池配对两个开关且其状态互斥。通过改变电池连接和断开的状态来实现对电池组的均衡。

图2 可重构电池拓扑

下面将通过图3 来介绍可重构电池的均衡过程。如图3(a)所示，假设电池在放电条件下，cell1的SOC最低、cell2的SOC较低、cell3到celln的SOC最高且相同。此处，忽略cell3到celln的低不一致性所带来的微小误差，默认cell3到celln的SOC均相同。如图3(b)所示，cell1和cell2因为SOC较低，所以被旁路。此时开关S11、S21关闭；S12、S22闭合，电池组由cell3到celln连接放电。直到电池组放电至如图3(c)所示，cell3的SOC与cell2相等时，cell2才被连接放电。同理如图3(d)所示，当cell2到celln的SOC降低至与cell1的SOC相同时，所有电池一起放电。

图3 可重构电池均衡图

由上述的均衡过程可知，可重构电池的均衡原理是通过让电池组中SOC较高的电池放电，并减少SOC较低电池的放电时间来对电池组进行均衡。同理，在电池组充电的时候，通过减少SOC较高的电池的充电时间来达到均衡目的。

1.2 本文提出的均衡拓扑及分析

如图4 所示为本文所提出的拓扑结构。与图2 所示的可重构电池拓扑相比，仅仅改变了电池组中电池的串并联结构，而未改变其电池数量。

图4 本文提出的拓扑

如图5 所示，我们将分析本文所提出的拓扑与带有DC/DC 变换器的可重构电池拓扑之间的区别及特点。假设电池组由60 个电池组成。如图5(a)所示，当DC/DC 变换器可以实现3 倍的电压转换时，如图5(b)所示，本文提出的拓扑需要连接90 个电池单元，即90S1P。为了获得更高的电压，需要将图5(a)中并联的60 电池串联连接。

图5 90个电池的两种连接方式

如果负载的所需功率是P，则由图5(a)和(b)中的每个电池提供的电流I1和I2分别如式(1)和式(2)所示：

式中：η 为DC/DC 转换器的转换效率，0<η<1；Ucell为电池单体电压。假设所有电池的电压是相同的，则由式(1)和式(2)可知，图5(b)中每个电池的电流是图5(a)中电流的η 倍。因为DC/DC 转换器存在功率损耗，所以电池组需要额外提供[(1-η)×P]的功率以满足负载的功率需要。

虽然所提出的拓扑结构只是改变了电池的连接方式，但从上面的分析可以看出，这对电池组的性能影响很小。而且，当电池组放电至接近截止电压时，本文提出的拓扑通常将所有电池一起供电。但在一般情况下，一些电池不向负载供电。假设SOC为100%，图5(a)由90 个电池供电(电池组电压为270 V)，则本文提出的拓扑结构仅需64 个电池供电(64×4.2=268.8 V)。电池组能提供的最大功率仅为图5(a)的71.1%(64/90)。但是由于电池组均由90 个电池组成，所以两者所能提供的总能量是相同的。

因此，当电池组提供的电压具有一定的冗余度时，本文提出的拓扑能够更好地满足带有DC/DC 变换器的可重构电池的要求，且不用考虑DC/DC 变换器的能耗问题。但当负载所需的电压较高时，使用DC/DC 转换器可以更好地提高电压匹配精度。

2 稳压原理及控制策略

2.1 稳压原理

为了将电池组的电压稳定在270 V(见图6)，电池组由90个串联的电池单元组成。假设它们一致性很高，电压差别非常小可忽略，默认每个电池电压相同，设置四种不同电压等级的电压，分别为：3.9、3.6、3.3 和3.0 V。在图6 中，电池组的供电电压与所构成的单体电池电压及其个数有关。

图6 拓扑的稳压原理

由于电池组中所有电池的电压是相同的，所以为了维持电压，仅需要将其中的cell1到cellm连接起来放电，旁路掉cellm到cell90即可。本文提出的拓扑需要串联n个电池，如式(3)所示。

式中：n为本文拓扑要求串联的电池数量；Uo为电池组目标电压；U_dis为电池放电截止电压。

图6 所示稳压原理图的电池组的电压如表1 所示。

表1 电池组电压与放电电池数量关系

从表1 可知，由于每个电池电压一样，当电池电压为3.9 V 时，仅需69 个电池为负载供电即可，其余电池均处于旁路状态。以此类推，在其他3 个不同单体电压的情况下，只需在满足目标电压要求的情况下选择对应个数的电池连接，剩下的电池断开连接即可。

2.2 控制策略

本节在实现电池组电压稳定的基础上，为了更好地改善电池组中电池的不一致性，提出一种均衡控制策略，并通过图7 所示的控制流程和图8 所示的均衡过程进行详细介绍。

图7 控制流程图

图8 基于所提出电路的控制策略

如图7 所示，控制流程图中的供电电池组指的是被连接放电的电池所组成的电池组，而旁路电池组是指电池组中除了供电电池组以外的被断开连接放电的电池所组成的电池组。

如图8 所示，假设电池组放电，电池组中初始SOC分布状态为：cell1至cell3的SOC相同且最高；cell4和cell5的SOC相同且中等；cell6至cell8的SOC相同且最低。

如图8(a)所示，假设cell1至cell5能够达到电池组的电压要求，则cell1至cell5串联连接供电，cell6到cell8被旁路。

放电一段时间后[如图8(b)所示]，cell6(cell7)与cell5(cell4)的SOC的差值满足式(4)并达到所设定的条件(图7 中所示的第一判断条件)，此时，图7 中的第一判断条件为真，cell6和cell7代替cell4和cell5进行供电[如图8(c)所示]。

式中：SOCset为判断电池是否连接放电的阈值。

类似地，如图8(d)所示，在继续放电一段时间后，cell8与cell6的SOC差值达到设定阈值，cell6被旁路而cell8连接到电池组。此时旁路电池组由cell4、cell5及cell6组成。

如图8(e)所示，假设额外连接到电池组的cell4能够使电池组的电压更接近设定电压(满足图6 中的第二个判断条件)，则将cell4连接到电池组供电。

经过图7 和图8 的分析，随着电池组放电的进行，电池组的SOC一致性显著提高[如图8(e)所示]。这是因为可重构电池的特点：电池组中SOC较高的电池持续放电，而SOC较低的电池被连续替换。但与传统的可重构电池相比[参考式(3)]，因为串联了额外的电池，所以当供电电池组中SOC较低的电池单元被断开连接时，旁路电池组中具有较高SOC的电池单元可以替换SOC较低的电池进行供电，从而使电池组的电压保持在设定的范围内。

3 仿真结果与分析

为验证所提出的均衡方案的可行性，在Matlab/Simulink仿真平台上进行模型的搭建并进行仿真。电池组由9 个锂离子电池组成，每个电池单体的容量和标称电压分别设置为2.2 Ah 和3.7 V。

用于仿真的9 个电池的初始SOC值设置如表2 所示。

表2 9 个电池的初始SOC 值

3.1 电池均衡与电压性能

根据文中所提出的拓扑、均衡策略，以及电池组性能，设定电池组的目标电压值为Uo=28 V，并且为了实现稳压及考虑电池组的一致性，设定均衡阈值为SOCset=2%。图9(a)和图9(b)分别为电池组各单体的SOC和电池组的电压随时间的变化曲线。

如图9(a)所示，在0 s时，cell1到cell7因为满足放电条件，连接在一起开始供电。而cell8和cell9由于较低的SOC而被断开连接，此时由cell1至cell7提供的电压约为25.97 V，接近28 V。在约530 s时，cell8(被断开连接的电池组中最高的荷电状态)比cell7(供电电池组中最低的荷电状态)高2%(SOCset)，cell7被断开连接，而cell8被连接供电。由于cell7和cell8的SOC相差较小，所以此时电池组的电压变化很小。在大约1 224 s 时，电池组有8个电池供电，电池组的电压上升到大约29.67 V。如图9(b)所示，因为与7 个电池相比，8 个电池串联时电池组的电压更接近28 V，所以在约1 224 s 将cell5重新连接至电池组放电。整个过程从0 s 开始到1 400 s 结束，最大的输出电压波动为2.03 V，电池组的SOC差异度由0.95%降低到0.58%。

图9 本文提出的拓扑结构的SOC及电压变化

3.2 可重构电池仿真

为了便于比较，对可重构电池进行了仿真，可重构电池的荷电状态(SOC)和输出电压分别如图10(a)和图10(b)所示。

图10 传统可重构拓扑的SOC及输出电压

在图10(a)中，电池组在0 s 后开始均衡，因为cell7至cell9的SOC较低，所以将其断开连接。在0～403 s 期间，只有cell1至cell6放电。如图10(b)所示，电池组的电压约为22.25 V。在约403 s 时，cell7至cell9的SOC达到设定条件，cell7至cell9连接到电池组供电，而cell4至cell6被断开连接。图10(a)中，直到大约630 s 时，9 个电池的SOC趋于一致，cell4到cell6又重新连接到电池组进行供电，此时电池组的电压约为33.34 V。在此过程中，最大的输出电压波动为5.75 V，比所提出拓扑的最大电压波动值还要大3.72 V。

如图10(a)所示，可重构电池组的SOC范围从0 s 时的2.5%减小到630 s 时的0.64%，与如图9(b)所示的电池组SOC范围从0 s 时的2.5%减小到1 400 s 时的1.69%相比，可重构电池较好地降低了电池组的不一致性。这是由于在旁路电池时必须考虑电池组的电压，可重构电池旁路了3 个电池[图10(a)]，本文提出的拓扑旁路了2 个电池[图9(a)]。由此可见，本文所提出的拓扑被旁路的电池数量有限，且其均衡过程不同于可重构电池。

因为本文提出的是基于可重构电池的拓扑结构，所以其具有可重构电池的优点和缺点。但是，如图9(b)和图10(b)所示，当电池组放电时，与可重构电池相比，本文所提出的均衡拓扑及控制策略充分考虑电压随SOC变化而变化以及部分电池被旁路的情况，能够更好地在实现稳压的同时降低电池组的不一致性。

4 结论

本文提出了一种无DC/DC 变换器的新型可重构电池拓扑及控制策略，通过开关控制电池组中各单体电池的连接状态，不仅能使电池组的输出电压在电池放电过程中保持在设定范围内，而且还能提高电池组的一致性。使用Matlab/Simulink 搭建仿真模型进行验证，实验结果说明所提出的拓扑及控制方法可行有效。此外，均衡阈值(SOCset)的取值与均衡系统的性能有关，为了更好地实现稳压及均衡目标，可以根据具体要求合理调整均衡阈值。