基于电池模组重构的均衡充电控制方法

孙金磊，邹 鑫，崔 凯，朱金大

(国网电力科学研究院有限公司(南瑞集团有限公司)，江苏南京 211106)

锂离子电池以其高功率密度、高能量密度和无记忆效应等优点被广泛应用于电动汽车、储能电站和移动电子设备。可是电池成组使用后，单体一致性和老化都对电池组的能量利用效率产生了极大的影响，个别单体的故障或性能衰退会引发电池组的安全隐患[1]。因此，固定连接拓扑电池组的电量一致性只能通过均衡的方式调整电池组电量，但对于个别单体的非正常老化甚至故障仍无能为力[2]。可重构电池网络则能够克服固定连接拓扑电池组在这方面的缺陷，通过拓扑的变化实现电量不均衡电池组均衡的同时，实现电池组满充的目标，避免由单体故障导致的电池组安全问题[3]。

为了实现电池组可重构的目的，从而延长电池组使用寿命、降低电池组故障率，国内外学者进行了大量相关研究。文献[4]针对m串n并电池组构建了重构电池系统，在充放电过程中可以旁路达到充放电截止电压的电池而不影响其他电池的充放电进程。开关旁路型电池与其他可重构电池拓扑结构相比，它的突出优点是大大减少了开关数量。文献[5]提出一种基于DC-DC 变换器的电池组重构系统，该系统中的电池不再直接串联，而是每一个电池单体都连接到一个DCDC 变换器的输入端，DC-DC 变换器的输出端构成串联电路。由DC-DC 变换器构成的串联电路直接给负载供电。通过改变DC-DC 变换器的控制信号可以改变输出电压，解决当几节电池旁路后工作电压降低的问题。对于电池组均衡策略，目前相关研究大多集中在以单体端电压一致为目标的电压均衡和以电池荷电状态(state of charge，SOC)一致为目标的SOC均衡[6]。通过对现有文献的梳理发现，大部分相关研究集中在可重构系统的构建，少数研究关注重构给电池组性能带来的提升及性能优化。

本文以可重构电池组的构建，以及在充电过程中实现均衡控制为目标，构建基于光电MOS 隔离驱动的电池重构网络，实现任意单体组合的电池组构建。在此电路拓扑基础上开发电池电压、电流检测系统，配合实现可重构系统的电池管理。以SOC一致作为聚类分组的依据，并按分组电量从小到大的顺序依次接入电池组进行充电，最终采用模组实验的方式验证可重构电池组的电量均衡效果，证明了所提出方法的有效性。

1 可重构电池组硬件设计

可重构电池组主要由重构电路和采集电路两部分构成。

1.1 电池重构电路

为了在实现电池串联重构功能的同时尽量减少开关数量，降低系统复杂度，重构电路采用开关旁路型重构拓扑结构，如图1 所示。

图1 电池旁路型可重构电路拓扑结构

图1 中，在该拓扑中每节单体电池连接2 个开关，通过开关旁路的方法将失效电池旁路而不影响其他电池充放电。当电池C2 需要旁路时，先断开与电池串联的开关，再闭合与电池并联的开关，整个电池组仍能正常工作。在系统工作时，重构电路利用光电MOS 实现开关的开闭状态切换，实现电池模组的重构。

1.2 电池状态采集电路

为了便于为重构策略提供依据判断，必须对电池组内单体电压和电池组电流进行实时准确的测量。在本系统中，电池单体电压和电流均通过单片机的ADC 功能进行采集。在电池模组重构过程中，各个单体电池的电压信号为彼此独立且非共地的信号，采用AD620 差分运算放大器实现电压信号的采集，并将电压信号经过缩小处理后转化为单片机可以识别的ADC 数值。电池电压转换电路如图2 所示。

图2 电池电压转换电路

电池模组充放电电流采用ACS712-5A 电流传感器进行检测，将电流信号直接转换为电压信号，并最终通过单片机ADC 进行采集。

2 基于电池模组重构的均衡充电控制策略

2.1 SOC 估计方法

本文采用SOC的估计结果作为充电过程中系统重构的判断依据。由于本文主要关注充电过程，其工况相对简单，采用开路电压法和安时积分法相结合，其计算公式如式(1)所示。

式中：SOC0为初始状态的SOC；CN为额定容量，这里假设不考虑老化的影响，电池容量固定；η 为充放电效率；I为充放电电流。可以看出，电池SOC的增减与充放电电流的时间积分有关，其中η 表示库仑效率近似为1。对于SOC0初始状态的获取，主要利用开路电压在长时间静置后与SOC的非线性对应关系曲线获得[7]。

通过这种方法可以在充电过程中获取每一个单体的实时SOC状态，并根据该状态进行系统重构。

2.2 均衡充电的重构过程

本文在假设电池组内单体容量相同的前提下，根据电池组内单体电量进行聚类分组。先对电量整体最小的一组进行充电，当该组电量达到另一组电量水平时，重构系统通过开关切换使两个组电池构成新的电池组，并一起充电。当整体电量达到另外一组的电量时再启动电池组重构，使新的一组电池加入充电序列。以聚类成3 个组进行充电为例，其示意图如图3 所示。

图3 基于SOC的电池充电均衡过程

在T1 时刻，根据分组首先对SOC较低的组进行充电，即对Group1 进行充电。此时Group1 中C1、C2 所对应的充电开关闭合，旁路开关断开，进入充电状态，其他电池充电开关断开，旁路开关闭合，进入隔离状态。电路重构为以下状态，如图4 所示。

图4 T1—T2时刻重构电路

在T1—T2 时刻，Group1 的SOC随着充电进行而逐步提升，并且其数值大小逐渐接近Group2 中的SOC最小值。

当Group1 中电池SOC与模组中Group2 足够接近至满足式(2)时，认为Group1 与Group2 可重新分为一组。

其中N1为对两组电池SOC一致性约束程度，这里取N1=3%，因为对于SOC的估计存在一定误差，所以两组电池SOC差值在3%以内是可以接受的。SOCGroup1和SOCGroup2可由电池组中各电池SOC取最小值计算得出，如式(3)所示。

式中：SOCGroup为该分组SOC的代表值；n为该分组中电池个数。

在T2—T3 时刻，Group1 与Group2 的SOC满足约束条件，则准备对这两组电池同时充电，充电电路进行重构。电池C3、C4、C5 从隔离状态进入充电状态。为防止电池发生短路，则电池对应开关先全部断开后再闭合充电开关，此时电路中没有电流流过，各电池SOC不发生变化。

在T3—T4 时刻，电池开始对两组电池进行充电，其电路状态如图5 所示。在充电过程中对电池组SOC的估算由对两组电池的SOC求平均值计算得出。

图5 T3—T4时刻重构电路

在T4—T5 时刻，Group1、Group2 与Group3 的SOC一致性程度满足约束条件时，充电电路继续开始重构，准备对三个分组进行充电。

在T5—T6 时刻，对电池开始充电，其电路状态如图6。

图6 T5—T6时刻充电重构电路

在T6 时刻，根据电池端电压和SOC，判定电池模组完成均衡充电，充电到此结束。

以上为采用本系统在充电过程中进行系统重构并最终实现电池组整体充满的完整过程。在该实例中，根据电池SOC分布，对模组中电池进行了分组梯次充电，达到了均衡的目的。

3 仿真分析与实验验证

3.1 电池与设备

为了验证本文所设计的重构均衡充电系统及均衡策略的有效性，搭建了电池实验测试平台并进行实验验证。所采用的Neware CT-4008 5V20A 能够根据预先设置的步骤和电压、电流阈值对电池进行充电、放电操作，该设备电压监测范围为0.025～5 V，采样精度为±0.05%，电流设置范围为0～20 A，采样精度为±0.05%。电池测试机Arbin BT-ML60V50A 能够对串联电池组进行充电、放电操作，该设备电压、电流范围分别为2～60 V 以及0～50 A，精度为±0.2‰。

实验所用电池组由7 节电池单体组成，均为18650 三元锂电池。电池质量为48 g，容量2.2 Ah，额定电压3.6 V，上限截止电压4.2 V，下限截止电压2.75 V，最大充电电流1C(2.2 A)，最大放电电流5C(11 A)。

3.2 均衡充电效果验证

将7 节电池单体串联构成电池组，预先测量得到电池单体长时间静置后的开路电压，系统根据其测量的初始电压对其SOC进行估算，检测及估算结果如表1 所示。

表1 电池状态检测结果

从表1 中数据可以看出，利用开路电压法估计的初始SOC估计最大误差在3%以内。通过计算得到的各分组段充电时间如表2 所示。

表2 电池分组及充电时间计算

在电池分别通过重构均衡充电和直接充电后，初始SOC与充电后SOC分布如图7 所示。由图7 可知，对于给定SOC分布的电池组，经过重构均衡充电后，电池组单体最大SOC偏差3%，未经均衡操作的电池组充满时最大和最小SOC差值达60%。因此，均衡充电对于提高电池组SOC分布一致性效果显著。

图7 有无重构均衡的充电前后电池组电量比较

针对这两种充电方法，直接进行充电的充电时间为1 049 s，可用容量0.76 Ah，可用容量占比34.6%。而采用重构均衡充电方式，充电时间5 079 s，可用容量1.98 Ah，可用容量占比90.5%，与传统方法相比电池组可用容量占比提升55.9%。

为了进一步证明本文所提出均衡充电方法的优越性，将本文所用方法与现有均衡充电方法进行比较。选取几种典型的均衡拓扑与充电过程相结合，再与所提出基于重构的均衡充电方法在均衡充电速度、能耗、成本和均衡灵活性等方面进行比较。设置比较的参数数值为5 个等级，1 表示性能低，5 表示性能高。比较结果如表3 所示。

表3 N 节串联电池组重构均衡充电与其他均衡充电方法比较

通过横向比较发现，所提出的基于重构的均衡充电方法在充电过程中通过不断重构的方式在充电结束时就可以实现电量均衡，相比于传统的均衡和充电两步完成的方式节省了时间。可重构系统的加入，虽然提升了一部分系统成本，但其可任意重构的特性提升了系统的构建灵活性。这种方案要求充电系统具有恒流调整能力，只需充电过程中补充能量，并没有能量的转移和消耗。因此，通过综合评定结果可以看出本文所提出的基于重构系统的均衡充电方法具有一定的优越性。

4 结论

本文针对串联电池组电量不均衡时无法实现满充的问题，提出了一种基于电池重构的均衡充电控制方法，针对7 节电池串联构成的电池组，设计了电池重构系统和状态监测系统，实现任意电池单体串联组合，并在此基础上以SOC为判据进行聚类分组，然后根据电量整体从低到高的顺序依次接入电池组并进行充电，最终实现电量不均衡电池组整体同步充满。实验结果表明，该方法与无重构系统的充电方式相比，电池组可用容量提升达55.9%。