基于SOC多模块变压器电池组主动均衡技术研究

司娟利，常红梅

基于SOC多模块变压器电池组主动均衡技术研究

司娟利，常红梅*

（陕西理工大学 机械工程学院，陕西 汉中 723000）

针对纯电动汽车动力电池单体间以及电池模组间的均衡速率和均衡效率问题，设计电池单体串联和电池模组串联电路来研究电池单体间和电池模组间充放电时的均衡速率和均衡效率，电池单体间采用电感式和多模块变压器式的主动均衡方式，电池模组间采用多模块变压器主动均衡方式。在MATLAB/Simulink软件环境下分别搭建相应的仿真模型，以电池荷电状态（SOC）为均衡控制变量，采用“均值-差值”控制策略进行仿真实验。仿真结果表明，串联电池单体采用多模块变压器均衡时间是电感式均衡时间的3倍；电池组间均衡时底层单体电池SOC通过电感式均衡快速保持一致，顶层电池模组通过变压器同时充放电，使得电池组SOC保持一致。将单体均衡采用电感式，模组采用多模块变压器式均衡应用于车载多电池箱均衡中有助于提升均衡速率和均衡效率。

电池SOC；多模块变压器；主动均衡；电池模组；MATLAB/Simulink

为了满足纯电动汽车所需要的电压、容量和功率，动力电池组通常是由单体电池串并联构成[1-2]。动力电池组在实际生产过程中，由于生产工艺问题各单体电池性能不可能完全一致。在实际应用过程中，随着电池组工作环境、充放电循环次数等条件的变化，单体电池容量、自放电率、内阻等随之发生变化，单体电池性能衰减影响整个电池组的使用寿命和工作效率。为了延长电池的使用寿命和电池容量的最大化利用，最为有效的途径是在电池组充放电时对单体电池和电池组进行均衡管理[3]。

均衡按照能量的消耗和转移可分为被动均衡和主动均衡。被动均衡属于能量消耗式均衡，其最有代表性的是电阻式被动均衡，原理为给单体电池并联一个电阻，当电池在充电时，多余的能量通过并联电阻进行消耗。被动均衡在能量消耗的过程中容易产生热量，给电池的温度管理带来挑战[4]。主动均衡是能量转移式均衡，通过储能元件把电量从能量高的电池转移到能量低的电池[5]。电池主动均衡技术中储能元件是将电能转换为其他类型的能量进行储存，再通过信号控制将其他类型的能量转换为电能，此时高能量电池的能量通过储能元件传递给低能量电池达到了能量传递的目的。主动均衡按储能元件分为电容式、电感式、变压器式等[6]。飞度电容式均衡电路[7]拓展性强，但只能将电压作为均衡目标，由于充放电时电容和电池间存在着压差，压差过小会导致均衡时间增加，甚至存在着电流不可控、可靠性降低等缺点。电感式均衡有扩展性好、成本低、均衡电流可控等优点。变压器式均衡电路[8]的特点是均衡电流较大，均衡效率高、均衡速度快等优点，但如果给每个单体配备一个变压器会导致均衡电路体积过于庞大，不利于实际应用，并且配备变压器越多漏感现象就越严重。

综合上述电感式均衡和变压器式均衡的优缺点，结合工程实际应用中大量单体采用串联来满足纯电动汽车电压要求，将两种主动均衡方式相结合是很有必要的，因此，本文重点研究串联电路中单体间采用电感式均衡，模组间采用变压器式均衡，通过两种均衡方式的结合来实现单体之间，模组之间的能量传递。选择电池荷电状态（State Of Charge, SOC）作为均衡目标，采用锂电池SOC的“均值-差值”控制策略，在MATLAB/ Simulink环境下搭建仿真模型进行实验；研究串联电路单体之间采用电感式主动均衡和电池模组之间采用变压器式主动均衡的均衡时间和均衡效率。

1 均衡原理及控制策略

1.1 均衡原理

以储能元件为传递能量的均衡方式其原理基本相似，电容均衡原理[9]是利用电容作为储能元件，通过开关切换使得能量较高的单体电池转移到能量较低的单体电池。电感均衡[10]原理与电容式均衡近似，当相邻单体SOC不一致时，控制信号驱动能量较高的单体电池侧金属-氧化物-半导体（Metal Oxide Semiconductor, MOS）场效应晶体管导通，此时能量较高的单体给电感充电，然后关闭本侧MOS管导通另一侧MOS管，此时电感给单体电压较低的电池充电，最后通过LR回路进行消磁，通过控制信号反复导通和关断MOS管使得能量持续转移，最终达到电池SOC保持一致的目标。基于变压器型的均衡电路[11]也可称为基于隔离型直流-直流（Direct Current-Direct Current, DC-DC）变换器的均衡电路，该类拓扑把变压器作为能量转移载体引入均衡电路，也是利用能量在电能与磁能之间相互转换。多模块变压器电池组均衡电路中每一组模组与一个变压器的次级相连，变压器的原级与整体电池组相连，通过信号驱动MOS管的导通和关闭使得各电池模组通过储能元件变压器与整体电池模组之间进行能量传递，此均衡过程中，多个变压器可以同时工作，提高了均衡效率。

1.2 控制策略

Δ=|SOC-SOC+1| （1）

2 仿真与分析

2.1 拓扑结构图

图1为以4节电池为例的经典四电池单体串联电路均衡拓扑图，其中M1、M2、M3、M4、M5、M6分别表示电池均衡控制MOS管，B1、B2、B3、B4表示单体电池，LR1、LR2、LR3表示主动均衡的储能元件即储能电感，图2为以16节单体电池为例的4个模组串联电路主动均衡电路拓扑图，B1、B2、B3、B4表示为电池模组1，B5、B6、B7、B8表示为电池模组2，B9、B10、B11、B12表示为电池模组3，B13、B14、B15、B16表示为电池模组4，T1、T2、T3、T4分别表示为模组主动均衡的变压器，M(1,1)、M(1,2)、M(2,1)、M(2,2)、M(3,1)、M(3,2)、M(4,1)、M(4,2)分别表示电池组主动均衡控制MOS管，变压器的原级与整体串联电池组连接，变压器的次级分别与各电池模组连接。4节单体电池串联多模块变压器均衡拓扑结构是将图2中4个电池模组更换为4个单体电池，变压器的原级与单体电池相连，变压器的次级分别与电池组相连，均衡拓扑结构与图2类似，不再赘述。

图1 经典四电池单体串联均衡结构图

图2 多模块变压器模组间均衡结构图

2.2 仿真模型及参数设置

根据均衡原理、均衡策略及均衡拓扑结构在MATLAB/Simulink中分别搭建了4个单体电池串联的储能电感均衡和多模块变压器均衡的仿真模型；搭建了以图1单体间电感均衡结构为模组的底层，以多模块变压器均衡结构为模组顶层的4组电池模组串联总计16个单体电池的多模块变压器主动均衡仿真模型。

电池单体串联均衡电路中的参数设置：电池单体B1、B2、B3、B4充放电时分别设为85%、80%、75%、70%；电池电压取7.2 V，电池容量取10 Ah；电感均取1 H，电阻值取10 kΩ；MOS管导通电阻取0.05 Ω，二极管压降取0.8 V；变压器功率取500 W；MOS管触发信号选择Simulink模块自带的Pulse脉冲信号模块，信号幅值为1，周期为10 s，占空比为50%；触发条件=0.001；充放电电流采用3 A的恒定电流。

电池模组串联均衡电路中的参数设置：模组1：B1、B2、B3、B4充放电初始值分别设为85%、83%、79%、81%；模组2：B5、B6、B7、B8充放电初始值分别设为80%、78%、74%、76%；模组3：B9、B10、B11、B12充放电 SOC初始值分别设为75%、73%、69%、71%；模组4：B13、B14、B15、B16充放电初始值分别设为70%、68%、64%、66%。单体电池电压取3.6 V，容量取10 Ah，变压器功率取20×103W。MOS管导通电阻取0.05 Ω，触发信号选择Simulink模块自带的Pulse脉冲信号模块，设置信号幅值为1，周期为10 s，占空比为50%，均衡触发条件= 0.001；充放电电流仍采用3 A恒定电流。

2.3 仿真结果与分析

图3、图4为经典4单体间电感均衡充放电仿真结果图，图5、图6为单体间多模块变压器均衡充放电仿真结果图，图7、图8为电池组间多模块变压器均衡充放电仿真结果图。横坐标是均衡仿真时间，纵坐标是电池值。

由单体间均衡仿真结果可知，在均衡时间方面，图3、图4电感式均衡在530 s时已趋于保持一致，图5、图6多模块变压器均衡在1 685 s时趋于保持一致，多模块变压器均衡时间是电感式均衡时间的3倍以上。在能量变化方面，充电均衡时，电感式均衡图3能量高的1#电池先放电，能量最低的4#电池先快速充电；1#、2#电池一致时一起放电，3#、4#电池一致时一起充电；当4个电池一致时同时充电。多模块变压器（图5）所有电池都开始充电，都开始增加表明多模块变压器都开始工作。放电均衡时，电感式均衡（图4）能量高的1#电池快速放电，能量最低的4#电池先充电，当3#、4#电池一致时再开始放电，直至与1#、2#电池一致时一起放电。多模块变压器（图6）所有电池都开始放电，都开始减少表明多模块变压器都一起工作。

图3 单体间电感均衡充电仿真结果

图4 单体间电感均衡放电仿真结果

图5 单体间多模块变压器均衡充电仿真结果

图6 单体间多模块变压器均衡放电仿真结果

图7 电池组间多模块变压器均衡充电仿真结果

由模组间多模块变压器均衡仿真结果可知，底层电感式均衡，在充电均衡时，单体电池值高的电池先放电再充电，值低的始终充电，在放电均衡时，单体电池值高的始终放电，值低的先充电再放电，均衡时间在不到500 s时已趋于一致；顶层多模块变压器均衡，不论充放电均衡都会同时工作。在充电均衡时，图7中所有电池模组同时充电，电池模组4以较大电流充电，其余电池模组以小于电池模组4的电流进行充电，在不足3 000 s时趋于一致。在放电均衡时，图8中值最低的第4个电池模组以缓慢的速度下降，值最高的第1个电池模组以最快的速度下降，说明电池模组1以最大电流放电，电池模组4以最小电流放电，电池模组2和电池模组3次之，当电池模组1和电池模组4的一致时，两个模组以相同的速度放电与电池模组2和电池模组3趋于一致。

3 结论

1）电感式主动均衡在串联电路中均衡速率高，因电感体积小可以用于单体电池间的主动均衡。

2）多模块变压器主动均衡因可以同时工作而有利于提升均衡效率。

3）在串联电路中，单体间均衡采用电感式均衡，模组间采用多模块变压器均衡有利于提升模组均衡效率。将两种均衡模式相结合既可以兼顾均衡速率又可提升均衡效率。将其应用于车载多电池箱均衡中可解决单个均衡方式均衡速率和均衡效率低的问题。

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Research on Active Balancing Technology of SOC Multi-module Transformer Battery Pack

SI Juanli, CHANG Hongmei*

( College of Mechanical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China )

Aiming at the equilibrium rate and equilibrium efficiency between battery cells and battery modules of pure electric vehicles, the series connection circuit of battery cells and battery modules is designed to study the equilibrium rate and equilibrium efficiency of charging and discharging between battery cells and battery modules, and the active balancing mode of inductive and multi-module transformer between battery cells and multi-module transformer between battery modules is adopted. In the MATLAB/Simulink software environment, the corresponding simulation models are built, and the battery state of charge (SOC) is used as the equilibrium control variable, and the "mean-difference" control strategy is used to carry out simulation experiments. The simulation results show that the equilibrium time of the series battery unit using a multi-module transformer is three times that of the inductive equalization time. When the battery pack is balanced, the underlying cell SOC is quickly consistent through inductive balancing, and the top battery module is charged and discharged simultaneously through the transformer, so that the battery pack SOC is consistent. The monomer equalization adopts inductive type and the module adopts multi-module transformer type balancing, which is applied to the balancing of vehicle multi-battery boxes, which helps to improve the equalization rate and equalization efficiency.

Battery SOC; Multi-module transformers; Active balancing; Battery modules; MATLAB/Simulink

TM912

A

1671-7988(2023)12-92-05

司娟利（1988－），女，硕士，助理工程师，研究方向为纯电动车电池管理系统，E-mail:2470044162@qq.com。

常红梅（1970－），女，硕士，副教授，研究方向为汽车电子控制技术、新能源汽车性能等，E-mail: chm130002 @snut.edu.cn。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.018