基于双向半桥LLC谐振变换器的退役电池组均衡方法

摘 要：退役电池在储能应用过程中，由于其较大的不一致性问题会导致退役电池组出现过充或过放现象，从而限制电池组整体的容量甚至引起热失控，造成安全隐患。针对以上问题，设计一种基于双向半桥LLC谐振变换器的有源均衡电路。该均衡电路通过开关阵列与隔离型双向半桥LLC谐振变换器的相互配合，能够实现单体电池与电池组整体之间的能量传递，使退役电池组中各单体电池达到能量平衡。另外，为进一步提高均衡器的均衡速度及精度，提出一种联合电压与荷电状态（SOC）共同作为均衡变量的多状态均衡控制策略。依据电池组当前不同的能量状态，在电池组静置、充电及放电3种不同状态下，分别采用不同的均衡变量以及对应的均衡策略，从而实现电池组的快速均衡。最后，通过搭建小型的均衡实验样机对6节串联电池进行均衡实验，实验结果表明，所提均衡方法具有较快的均衡速度及较好的均衡效果。

关键词：退役电池；不一致性；有源均衡；开关阵列；双向半桥LLC谐振变换器；多状态均衡策略

DOI：10.15938/j.emc.2024.05.000

中图分类号：TM912文献标志码：A

Retired battery equalization method based on bidirectional half-bridge LLC resonant converter

WANG Chao ZHAN Min KE Jinyang WU Tiezhou1

（1.Hubei Key Laboratory for High-efficiency Utilization of Solar Energy and Operation Control of Energy Storage System， Hubei University of Technology， Wuhan 430068，China; 2.Hangzhou Hikvision Digital Technology Corporation， Wuhan 430075， China）

Abstract：During the energy storage application， the large inconsistency of retired batteries can lead to over-charging or over-discharging of the retired battery pack， which can limit the overall capacity of the battery pack and even cause thermal runaway， causing safety hazards. To address these problems， this paper designs an active equalization circuit based on a bidirectional half-bridge LLC resonant converter. The equalization circuit can realize the energy transfer between the single cell and the battery pack through the interplay of the switching array and the isolated bidirectional half-bridge LLC resonant converter， so that the energy balance of each single cell in the retired battery pack can be achieved. In addition， a multi-state equalization control strategy that combines voltage and state of charge（SOC） as equalization variables is proposed to further improve the equalization speed and accuracy of the equalizer. According to the different energy states of the battery pack， different equalization variables and corresponding equalization strategies are used in the three different states of battery resting， charging and discharging to achieve fast equalization of the battery pack. Finally， the equalization experiments were carried out on six series-connected batteries by building a small equalization prototype. As the experimental results show， the proposed equalization method has faster equalization speed and better equalization effect.

Keywords：retired batteries; inconsistency; active equalization; switch array; bidirectional half-bridge LLC resonant converter; multi-state balancing control strategy

0 引 言

锂离子电池因其较低的自放电率、高能量密度以及较长的循环寿命被广泛应用于电动汽车领域。随着电动汽车的日常使用，电池的剩余容量也会随之下降。当车载电池剩余容量下降至原始额定容量的70%～80%时，将不再适用于电动汽车使用。从电动汽车上退役的电池在经过分选重组后，仍可用于储能系统、基站备电等对电池性能要求较低的场合[1-3]。2021年，由工信部联合其他相关部门共同制定的《新能源汽车动力蓄电池梯次利用管理办法》也鼓励生产适用于基站备电、储能、充换电等领域的梯次产品[4]。由于锂离子电池单体的电压较低，在储能应用过程中通常需要将电池单体以串并联的形式成组使用，以提高储能电池的电压及容量[5]。然而，梯次利用电池单体间较大的不一致性会导致成组后电池组容量及使用寿命的下降[6]。因此，亟需研究一种电池组快速平衡的均衡方法，以解决退役电池组容量“木桶效应”，保障电池组高效安全稳定工作。

目前常见的锂离子电池均衡方式主要可分为2种：无源（能耗型）均衡和有源（非能耗型）均衡。无源均衡是通过消耗能量较高电池的多余能量来实现电池组整体平衡的均衡方法[7]。该均衡方式均衡电路简单但存在能量利用率低、发热严重等问题。有源均衡是一种通过能量转移来实现电池组平衡的均衡方法，根据储能元件的不同一般可分为电容[8-9]、电感[10-11]、变压器[12-13]以及变换器[14]四类。通过储能元件及开关器件的相互配合，将单体能量较高电池的多余能量在各单体电池间进行合理分配，从而实现电池组平衡。该均衡方式具有均衡效率高、均衡速度快且不易发生热失控等优点[15]，相比于无源均衡更有利于电池组安全稳定，可用于退役电池组的均衡。电容型均衡方法是以电容为储能元件，通过将电池能量以电压形式在电池间进行传递来达到电池组均衡目的。文献[8]提出基于单电容的集中式均衡方法，通过单体电池对公共电容进行充电，将多余的能量以电荷形式转移至电容中进行存储，再由电容将多余电荷向电池组整体进行转移，实现各单体电池之间的平衡。电感型均衡方法是以电感为储能元件，使能量以电流的形式在单体电池间进行传递来实现电池组均衡。相较于电容型均衡，该均衡方法不受单体电池间电压差的影响，能够获得更好的均衡效果。文献[11]提出基于单电感的集中式均衡电路，以电池荷电状态（state of charge，SOC）作为均衡变量，通过开关阵列配合储能电感实现集中式单电感均衡。变压器型均衡方法是以变压器为能量传递单元来实现单体电池-单体电池或单体电池-电池组整体的能量传递。该均衡方法的缺点是每节单体电池都需要一个变压器绕组，均衡器体积庞大且制作成本较高。文献[13]提出基于多绕组变压器的均衡电路，各绕组之间共用变压器磁芯，从而实现各单体电池能量以电磁形式在单体间进行传递，相比于电感式均衡拓扑和电容式均衡拓扑具有更好的均衡效果。变换器型均衡方法是以电力电子变换器作为能量转移单元，能够实现能量在电池间的转移，从而达到电池组平衡。文献[14]采用Buck-Boost变换器作为均衡主体，通过开关阵列实现各单体电池之间的选通，实现电池组内各单体电池之间的能量传递。然而，Buck-Boost变换器两端均需要一组开关阵列增加均衡器的成本与整体控制的复杂度。

通过对以上学者研究成果的学习与总结，针对传统均衡方法中存在的均衡器体积大、制作成本高、均衡速度慢等问题，提出一种双向半桥LLC谐振变换器结合开关阵列的集中式均衡方法。在均衡过程中，双向半桥LLC谐振变换器主要用于控制电池能量的转移。开关阵列主要用于能量通路的选择，配合LLC谐振变换器将不平衡的电池能量在单体电池之间进行合理再分配，实现电池组的平衡。另外，针对该均衡结构设计以电压和SOC共同作为均衡变量的多状态均衡控制策略，进一步提高均衡器的均衡效果。最后，搭建均衡实验样机，验证本文所提均衡方法的可行性及有效性。

1 均衡拓扑与工作原理

1.1 均衡拓扑

为实现退役电池组快速有效均衡，本文提出一种基于双向半桥LLC谐振变换器的退役电池组有源均衡电路，如图1所示。该均衡电路主要由4部分构成：串联电池组、开关阵列、双向半桥LLC谐振变换器以及MCU主控单元。

该电路采用开关阵列实现均衡过程中能量通路的选取，开关阵列由两部分构成：通道选择开关和极性选择开关，表达式为：

Kcha={K1，K2，…，Kn，Kn+1}；（1）

Kpol={Ko+，Ke+，Ko-，Ke-}。（2）

式中：Kcha表示通道选择开关；Kpol表示极性选择开关；Kn表示与各单体电池直接相连的开关；Ko+表示变换器低压侧正极与奇数次母线相连接的开关；Ke+表示变换器低压侧正极与偶数次母线相连接的开关；Ko-表示变换器低压侧负极与奇数次母线相连接的开关；Ke-表示变换器低压侧负极与偶数次母线相连接的开关。

双向半桥LLC变换器作为该均衡电路的主体单元，如图1所示，其低压侧经过开关阵列能够与任意单体电池相连接，高压侧与整个串联电池组相连接。通过控制变换器开关管Q1、Q2、Q3和Q4的开通与关断，能够使变换器在升降压2种模式下灵活切换，进而实现单体电池与电池组整体的能量传递。另外，双向LLC变换器在双向升降压的过程中能够实现软开关控制，减少了均衡过程中电池能量的损耗，提高了均衡效率。

1.2 工作原理

本文提出的均衡电路包含升压和降压2种工作模态。在升压模态下双向LLC变换器工作在升压状态能够将能量较高的单体电池能量转移至整个电池组，从而降低单体电池之间的不一致性，使电池组达到平衡状态。在降压模态下，双向LLC变换器工作在降压状态能够将电池组的能量向能量较低的单体电池进行转移，抬升其单体能量，从而使电池组整体达到平衡。

1.2.1 降压模态工作原理

当均衡电路工作在降压模态时，能量由电池组向单体电池进行传递以抬升单体能量较低的电池能量。以电池组向单体电池B1传递能量为例，如图2所示，首先闭合开关阵列中的开关K1、K2、Ko+以及Ke-，打开电池B1的均衡通道。双向LLC谐振变换器保持开关管Q1和开关管Q2处于关闭状态，开关管Q3和开关管Q4互补导通，采用脉冲频率调制（pulse frequency modulation，PFM）进行控制。电池组侧电压VBUS经过开关管Q3和开关管Q4变换为高频方波电压，通过谐振网络与变压器得到单体电池侧的交流电压，经全波整流得到电池充电电压供给单体电池B1充电，完成电池组向单体电池的能量转移。

1.2.2 升压模态工作原理

当均衡电路工作在升压模态时，能量由单体电池向电池组进行传递，单体电池能量随之降低。以单体电池B2向电池组传递能量为例，如图3所示，先闭合开关阵列中的开关K2、K3、Ke+以及Ko-用以打开电池B2的均衡通路。升压模态下，双向LLC谐振变换器的工作与降压模态有所不同。主开关管Q1和Q2为推挽结构，通过主开关的交替导通产生高频方波电压，经变压器耦合至高压侧。高压侧谐振网络对该方波电压进行选频，通过的基波电压由高压侧整流电路整流得到期望的输出电压用于电池组充电，完成单体电池向电池组的能量转移。

1.2.3 谐振关键参数计算

在谐振变换器中，变压器的理论匝比为

式中fr为谐振频率。

2 均衡变量选取及控制策略设计

2.1 均衡变量选取

在均衡系统中，均衡变量的选取对电池组的均衡效果具有重要的影响。目前，常见的均衡变量主要为电池电压和电池SOC两种。

电池电压易于采集且测量精度相对较高，常常被用作工程中的均衡变量。但考虑到电池在充放电过程中电压的变化并不是一个完整的线性过程，在“电压平台期”（即电池SOC在20%～80%）时，电池电压的变化幅度较小，如图4所示，若在此阶段以电压作为均衡变量，将会导致系统对电池剩余能量的估计存在较大误差、均衡效果较差等问题。因此，当电池SOC处于20%～80%范围内，以电池SOC作为均衡变量能够更精准地反映电池组中各单体电池的差异性，保证电池组的均衡精度。当电池SOC在0%～20%或80%～100%之间时，电池电压的变化幅度较大。考虑到SOC估算的非实时性，电池组在大电流充放电时会出现电压波动较大的问题。以电池SOC作为均衡变量可能导致电池出现过充过放现象，不利于电池的安全稳定运行[16]。因此，当电池SOC处于0%～20%或80%～100%之间时，以电池电压作为均衡变量更为合适。

2.2 多状态均衡策略设计

本文设计一种退役电池组多状态均衡策略，在电池组不同工作状态下分别采用不同的均衡方法，以此实现电池组快速准确均衡，如图5所示。

1）在充电状态下，采用能量最高的单体电池对电池组放电的均衡方法，降低能量最高单体电池的能量，可以有效防止能量最高单体电池过充，同时延长电池组整体的充电时间，使得电池组能够充入更多的能量。

2）在放电状态下，采用电池组对能量最低的单体电池充电的均衡方法，电池组对能量最低的单体电池进行能量转移，能够避免能量最低的电池出现过放的情况，使得电池组整体能够放出更多的能量。

3）在静置状态下，采用电池组对能量最低的单体电池充电的均衡方法，快速降低单体电池间的能量差，提高电池组整体的SOC水平，实现电池组整体的快速平衡。

在均衡过程中，当单体电池的SOC处于20%～80%之间时，以电池SOC作为均衡变量，采用安时积分法对电池组进行SOC估算，估算方法为

式中：Uav表示电池组的平均电压；Un表示电池组内部任意单体电池；UM表示均衡阈值。当Un与Uav的差大于均衡阈值UM时，开启均衡。算法流程图如图7所示。

3 实验与分析

3.1 实验平台的搭建

为进一步证明本文所提均衡方法的有效性，搭建一个小型均衡实验样机，如图8所示。该实验样机能够实现6节18650电池的串联均衡。均衡样机由4个模块组成：6节18650电池串联而成的电池组模块、以STC15单片机为控制核心的主控模块、双向LLC谐振变换器模块以及开关阵列模块。为便于均衡器的搭建，开关阵列模块主要以继电器作为主要器件，控制信号由主控模块发出，经驱动电路实现对继电器开关的有序控制。该均衡电路的部分关键参数如表1所示。

图9为双半桥LLC谐振变换器半桥侧的部分关键工作波形图。其中：Vout表示正向工作时变换器的输出电压；Vds表示开关管漏源极之间的电压；Vgs表示开关管栅源极之间的电压，即开关管的控制信号。图9（a）为均衡器在正向工作时的工作波形，此时电池组向单体电池传递能量，变换器输出电压Vout约为4.2 V，开关管工作在零电压开关（zero voltage switch，ZVS）的工作模式，工作状态良好。图9（b）为均衡器在反向工作时的工作波形，此时单体电池向电池组传递能量，变换器输出电压约为25 V，开关管工作在ZVS的工作模式。

3.2 均衡实验与分析

在电池组静置状态下，对电池组进行均衡实验验证所提均衡方法的均衡效果，各单体电池初始SOC分别为：SOCB1=65.28%，SOCB2=64.06%，SOCB3=64.62%，SOCB4=43.26%，SOCB5=68.38%，SOCB6=54.89%。图10为对电池SOC进行实时记录得到的电池组在静置状态下各单体电池的均衡过程曲线。可以看出，电池B4的初始SOC最低，能量从电池组向电池B4传输，最终电池组在75 min左右达到平衡。

在充电电流为1 A的充电条件下分别进行SOC-OCV联合均衡以及电压均衡的均衡实验，测试电池组充电状态时在该均衡器的均衡作用下的均衡效果。图11为充电状态下电池组在2种不同均衡判据下的均衡过程曲线。其中，图11（a）中电池组各初始SOC为：SOCB1=70.69%，SOCB2=55.28%，SOCB3=56.7%，SOCB4=47.45%，SOCB5=53.05%，SOCB6=66.4%；图11（b）中各初始SOC为：SOCB1=48.79%，SOCB2=72.5%，SOCB3=58.48%，SOCB4=57.69%，SOCB5=53.7%，SOCB6=65.82%。充电状态下的均衡过程表现为能量由单体最高的电池向电池组整体进行转移，以提高电池组整体的有效存储能量。在SOC-OCV联合均衡情况下，电池组在70 min左右达到整体平衡，最大SOC差为0.602%。在电压均衡情况下，电池组在65 min左右达到平衡，最大SOC差为2.614%。

同理，在放电电流为0.5 A的放电状态下对电池组进行SOC-OCV联合均衡以及电压均衡的均衡实验，测试电池组放电状态时在该均衡器的均衡作用下的均衡效果。图12（a）为放电过程中采用SOC-OCV联合均衡策略的各单体电池均衡过程曲线。电池组各初始SOC为：SOCB1=87.52%，SOCB2=83.2%，SOCB3=80.93%，SOCB4=68.56%，SOCB5=84.69%，SOCB6=74.17%。图12（b）为放电状态下采用电压均衡策略的各单体电池均衡变化曲线，各单体电池初始SOC分别为：SOCB1=69.65%，SOCB2=82.88%，SOCB3=82.2%，SOCB4=83.34%，SOCB5=75.69%，SOCB6=85.79%。在电池组放电过程中，均衡器将电池组整体的能量向单体能量最低的电池进行传输，减缓能量最低电池的放电速度，使得电池组能够放出更多的能量。在SOC-OCV联合均衡情况下，电池组在80 min左右达到整体平衡，最大SOC差为0.602 4%。在电压均衡情况下，电池组在70 min左右达到平衡，最大SOC差为1.704 8%。

3.3 与传统均衡方法的比较

为证明本文所提均衡方法的优越性，从元器件数量、电路体积、电路成本、均衡速度等方面与其他均衡方法进行比较，如表2所示。电容型均衡电路[8]采用电容作为能量传递单元，由于电容均衡对电池间压差的依赖性导致实际均衡效果较差。电感型均衡[10]采用电感作为均衡过程中的能量载体，能量以电流形式在电池间传递使得均衡速度相对电容型均衡更好。变压器型均衡[12]采用变压器作为能量传递载体，能够起到电气隔离的作用，但由于变压器电磁耦合的原因导致均衡过程中的能量损耗相对较高。Buck-Boost型均衡电路[14]采用Buck-Boost变换器作为均衡器主体，均衡过程可控性更高，均衡速度相对更快。本文所提出的均衡电路元器件数量适中，电路结构相对简单，双半桥LLC变换器开关工作ZVS工作模式转换效率相对较高，并且具有更快的均衡速度和均衡精度。综合比较，本文所提均衡方法在均衡速度及电路成本上具有较大的优势。

4 结 论

本文提出一种基于双向半桥LLC谐振变换器的退役电池组有源均衡电路，该均衡电路主要由串联退役电池组、双向半桥LLC谐振变换器以及开关阵列组成。以双向半桥LLC谐振变换器作为均衡主电路，配合开关阵列对均衡通路进行选通，能够灵活地实现单体电池与电池组整体之间的能量转移，从而实现电池组整体的平衡。该方法在兼顾均衡器成本和体积的同时，也具有较好的均衡效果。并且，双向半桥LLC谐振变换器具有良好的电压电流输出特性[17-18]，能够保证退役电池均衡系统的稳定运行。另外，考虑SOC和OCV对电池均衡精度的不同影响，采用多状态均衡策略对电池组进行快速均衡，在电池的充放电过程的3个不同阶段，分别采用不同的均衡变量进行均衡，从而实现电池组快速、准确地均衡。最后，搭建一个小型的均衡实验平台，对6节串联电池组进行均衡实验，验证所提均衡方法的有效性。且通过与传统均衡方法的对比分析，验证该均衡方法的优越性。

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（编辑：邱赫男）

收稿日期： 2022-09-30

基金项目：国家自然科学基金（51677058）

作者简介：王 超（1978—），男，硕士，副教授，研究方向为电力储能应用技术；

詹 敏（1998—），女，硕士研究生，研究方向为电池均衡技术研究；

柯锦洋（1997—），男，硕士，研究方向为电池均衡技术研究；

吴铁洲（1966—），男，博士，教授，研究方向为光伏发电技术、储能相关技术。

通信作者：王 超