车用锂离子电池快速均衡方法研究

张宇，王军，常春

摘要： 为解决电动车电池在工作时出现的能量不一致的问题，设计了一种基于三绕组变压器的双层均衡拓扑结构，该拓扑可实现任意单体与单体、单体与部分单体、部分单体与单体、单体与整体之间的能量传输，并通过比较电池之间的荷电状态（SOC）、工作时的产热情况，确定分状态的均衡控制策略。使用 MATLAB/Simulink软件进行模型搭建并仿真，试验表明：该均衡方法能够有效缩短均衡时长，缓解电池间的不一致性问题，对比传统变压器均衡方法，静置、充电、放电所需均衡时间分别缩短67.7%，66.12%，30.05%。

关键词： 锂离子电池；电池均衡；拓扑结构

DOI： 10.3969/j.issn.1001-2222.2024.03.012

中图分类号： TM912文献标志码： B文章编号： 1001-２２２２（２０24）０3-００74-０6

锂离子电池具有能量密度高、自放电率低、循环寿命长等优点，被广泛运用于交通运输、航空航天等领域［1-2］。但电池在生产时便存在差异，随着使用，电池组的不一致性逐渐加剧［3］，不一致性会导致电池过度充放电、损害电池寿命和存在安全隐患、降低电池的能量利用率［4-5］、加速电池老化和性能衰减，甚至产生热失控风险［6-7］，因此对电池组进行均衡管理是延长电池寿命和提升电池组性能的必要技术［8］。

目前常见的均衡方法可分为主动均衡和被动均衡［9］。被动均衡通过将电能转换为热能从而实现均衡，但存在能量利用率低、产热量大的缺陷。主动均衡主要通过电能在电池之间的转移实现均衡，是目前均衡电路研究的主要方向［10-11］。文献［12］中基于变压器的均衡电路，存在控制策略复杂且单一和均衡时间长、速度慢的问题。文献［13］中基于buck-boost和变压器的均衡电路，虽然有效提高了均衡速度，并解决了首尾两端电池的均衡问题，但存在不相邻的电池无法直接均衡的问题，面对多电池串联的情况，反而会导致均衡速度严重下滑。文献［14］中的多变压器均衡电路存在无法实现单体-单体间的均衡，影响电池均衡速度且多个变压器带来成本过高和电路体积大的问题。文献［15］中的三绕组变压器均衡电路结构上未充分发挥多绕组变压器的灵活性，对应控制策略只能实现单体-单体之间的均衡。文献［16］中的多层均衡电路结构设计存在一定问题，对应的策略无法实现单体-部分单体、部分单体-单体的均衡，只能通过整体-单体进行弥补，从而出现均衡速度慢、增加电池产热的情况。

为更好地缓解电池不一致性的影响，本研究提出一种基于三绕组变压器和电感的新型双层均衡拓扑电路，根据电路结构和电池不同工作状态下的产热情况确定完善的均衡策略，加快电池均衡速度。

1均衡电路拓扑结构及原理分析

1.1双层均衡电路拓扑结构

基于三绕组变压器和电感的双层均衡电路拓扑结构如图1所示，该电路由N+1个开关（N为电池数量）组成的开关阵列、Buck-boost电路和三绕组变压器构成。其中底层均衡是基于电感的Buck-boost均衡电路，以3节电池为一电池组，同组单体电池通过电感进行均衡。顶层均衡基于三绕组变压器，变压器类型为反激变压器，原边绕组通过开关矩阵与各个电池组相连，两个副边绕组的其中一个绕组通过开关矩阵与电池组相连，在结构上可实现单体-单体、单体-部分单体、部分单体-单体之间的灵活均衡的功能。而另一副边绕组则与整个电池组相连，在电池高强度工作的情况下，可进行单体-整体、单体-单体的混合均衡，减少电池组的产热，同时在某一开关出现故障时，也可转为单体-整体、整体-单体的均衡模式，避免出现均衡电路完全失效的情况。

1.2底层均衡设计

底层均衡采用基于电感的Buck-boost均衡电路，负责对各个电池组内的单体电池进行均衡，其均衡原理如图2所示。假设电池C1的荷电状态（SOC）大于电池 C2的SOC时，导通MOSFET管Q1，电池C1对电感L1转移能量，对应图2a阶段。

此时电感L1的电压和电池C1的电压相等，设持续导通时间从t0到t1，占空比为D，周期为T，则IL1=VC1L1（t－t0），t0＜t＜t1，（1）

IL1（max）=VC1L1（t1－t0）=VC1L1DT。（2）

当Q1断开，电感通过Q2的二极管对电池C2进行充电，设t2时刻iL1降为0，则

IL1=VC1L1DT－VC1L1（t－t1），t1＜t＜t2。（3）

当电感电流降为0时，即电感将储存的能量全部转移至电池C2时便完成了一个周期的均衡，关断Q2，重新根据两个电池的SOC来判断是否需要继续均衡。

1.3顶层均衡设计

顶层均衡电路由三绕组反激变压器和开关矩阵组成，主要负责电池组间均衡，其均衡原理如图3所示，图中电池组B1，B2，B3是分别由3节锂电池串联而成的电池组。Bernadi电池产热速率公式为

q=1VI2Rr+ITG，G=ET。（4）

式中：q为产热速率；V为单个电池的体积；Rr为电池内阻；T为电池的温度；G为熵热系数，且G随参数与温度变化，但多为负值。故同等电流、边界条件下，电池的放电产热高于充电产热。

基于上述电池产热情况，以充电均衡为例，顶层均衡先按图3a的情况导通，假设电池组B1的SOC平均值（SOC）最大，电池组B3的SOC最小，导通MOSFET管S1和开关S2，闭合开关S11和S12，使得电池组B1接入原边绕组，电池组B3接入副边绕组，形成单体-单体的均衡模式。

当电池组B1的SOC与电池组B2的SOC的差值小于阈值时，关断S2，闭合S4，此时均衡对应图3b的情况，电池组B1和B2接入原边绕组，电池组B3接入副边绕组，实现部分单体-单体的均衡模式。

而图3c则对应产热严重的放电情况下的均衡，即将SOC值最高的电池组B1接入原边绕组，闭合MOSFET管S13，使得对应电池组通过副边绕组对整个电池组转移多余的能量，同时将SOC值最低的B3接入另一边副边绕组，使得电池组B1既对全部电池组转移能量，又对SOC最低的电池组转移能量。避免了单体-单体模式在放电均衡时带来的单节电池产热严重的问题，又解决了单体-整体模式导致的均衡速度慢的问题。

2均衡控制策略

2.1均衡流程

本研究采取如图4所示的分状态的均衡控制策略，以SOC为均衡变量，采用安时积分法估算电池的SOC值。其中静置均衡、充电均衡采用组内均衡、组间均衡同时进行的控制策略，放电均衡采用先组内均衡，后组间均衡的策略，以免出现电池过热的情况。

均衡开始时，使用安时积分法进行SOC估算，如式（5）所示。

SOC=SOC0－1Cn∫t0Idt。（5）

式中：SOC0为充放电初始状态时的SOC值；Cn为电池额定容量；I为电池电流。设置均衡开启阈值为1%，控制算法使用差值比较法，通过求取同组单节电池SOC之差ΔSOC、各电池组SOC之差ΔSOC，并与阈值进行比较，大于阈值时开启均衡。

均衡中需要求取的SOC，ΔSOC，ΔSOC的计算公式如下：

SOC=SOC1+SOC2+…+SOCnn，（6）

ΔSOC=SOCn+1－SOCn，（7）

ΔSOC=SOCn+1－SOCn。（8）

2.2分状态的均衡策略

当进行静置均衡时，电池处于未工作状态，此时电池未出现放热或吸热的现象，储能系统散热负担小，可通过大电流加速均衡，缩短电池均衡的时间。故组间均衡采用单体-部分单体、部分单体-单体的均衡策略。即SOC最高的电池组先对其余电池组转移能量，待有两组及以上的电池组SOC小于阈值，便切换为多组电池组对SOC低的电池组进行能量转移，达到加快均衡、更快提升电池可用容量的目的，其中电池可用容量使用率为

η=nSOCminSOC1+SOC2+…+SOCn。（9）

式中：n为电池数量。电池可用容量率提高越多，均衡效果越好。

在进行充电均衡时，为防止过度充电、电池过热的情况，采用单体-单体、部分单体-单体的均衡策略。先由SOC最高的电池组对SOC最低的电池组充电，待SOC最高的电池组与不参与均衡的电池组的SOC差值小于阈值时，转为多个电池组对低能量的电池组转移多余的能量。

对于放电均衡，由式（5）可知，相比于静置状态、充电状态，放电状态下电池发热更严重。而在使用场景中，静置状态结束后，通常转为放电的工作状态，因此静置均衡和放电均衡可相互配合。

基于此情况，本研究所提控制策略在放电情况下主要考虑控制发热、防止电池出现过度放电的情况，故放电均衡采用单体-整体、单体-单体的均衡策略，SOC最高的电池组接入原边绕组，两个副边绕组接入电路，一个对整个电池组转移能量，另一个对SOC最低的电池组转移能量。由式（5）可知低SOC电池组的产热速率为

q1=1V（I21Rr+I1TG），I1=Idc－12Id，（10）

q2=1V（I22Rr+I2TG），I2=Idc－Id，（11）

q=q1+q2=1V（I21+I22）Rr+（I1+I2）TG。（12）

式中：Idc为放电电流；Id为放电均衡的均衡电流；q1为单体-整体模式时，单个低SOC电池组产热速率；q2为最低SOC电池组的产热速率；q为低SOC电池组的总产热速率。由于采用单体-整体、单体-单体相互切换均衡，故q1中的均衡电流值只有q2中的均衡电流值的一半。

只采用单体-整体模式时，低SOC电池组产热速率为

q=2V（I2Rr+ITG），I=Idc－Id。（13）

对比式（13）和式（12）可知，低SOC电池组每秒可减少的产热量为

Q=1V（34I2d－IdcId）Rr－12IdTG。（14）

3仿真分析

为验证基于三绕组变压器的双层均衡电路及相应均衡策略的可行性和优越性，设置如图5所示的传统变压器双层均衡电路进行对比分析，该电路和原电路相同，采用串联电池组B1，B2，B3为试验对象，3个电池组各由3节电池串联而成，电池组的组内均衡采用基于电感的均衡电路，组间采用图5所示结构，两者构成双层均衡结构。

如图6所示，在MATLAB/Simulink平台上，搭建以9节串联锂电池为试验对象的均衡电路模型，并采用所提策略来控制开关。

试验中，将9节串联锂电池均分为3组，SOC初值依次设为60%，58%，56%，54%，52%，50%，48%，46%和44%，其中单节电池间SOC最大差值为16%，电池组平均SOC最大差值为12%，电池及其他仿真试验参数如表1所示。

3.1静置均衡

静置均衡试验结果如图7所示。通过控制策略和结构配合，静置均衡试验中，本研究均衡电路先采用单体-部分单体的模式更快减少电池组间的均衡差距，在两个电池组达到均衡时，两个电池组串联接入同一绕组，总电压提升，均衡电流随之提升，均衡速度大幅提高。而传统变压器均衡电路由于自身结构问题，无法由高SOC电池组直接向低SOC电池组均衡，且当两电池组实现均衡后，分别接入对应的电池绕组，单绕组接入的电池组电压未产生较大变化，均衡速度只是略有提升。

相比基于传统变压器双层均衡结构的试验电路，静置均衡下，本研究所提电路配合本研究设计的控制策略，静置均衡时间缩短67.7%。

3.2充电均衡

充电均衡试验结果如图8所示。通过控制策略和结构配合，充电均衡中，本研究所提均衡电路先采用单体-单体的模式，控制电池发热的同时，快速提高低能量电池组的SOC值。两个电池组达到均衡时，转为部分单体-单体的均衡模式，增大均衡电流，加快均衡速度。通过两种均衡模式的切换，有效地提高了电池充电时的均衡速度。对比传统变压器双层均衡结构的试验电路，缩短了多单体参与转移能量的时间，有效降低了均衡时电池的产热量。

相比基于传统变压器双层均衡结构的试验电路，充电均衡下，本研究所提电路配合本研究控制策略，充电均衡时间缩短66.12%。

3.3放电均衡

放电均衡试验结果如图9所示。通过控制策略和结构配合，本研究所提均衡电路采用单体-单体、单体-整体的均衡模式，两种模式相互切换的控制策略。相比基于传统变压器双层均衡结构的试验电路，放电均衡下，本研究所提电路配合本研究控制策略，放电均衡时间缩短30.05%。

4结束语

针对锂离子电池的不一致性带来的负面影响，提出一种基于三绕组变压器的均衡电路，以SOC为均衡目标，根据所提均衡电路的特点，确定相应的、灵活多变的分状态均衡控制策略。以9节串联锂电池为例，在MATLAB/Simulink平台上进行仿真，并与传统变压器均衡方法进行比较，验证所提均衡电路与均衡策略具有均衡速度快、控制灵活等优点，有效地提高了电池组一致性。

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ZHANG Yu，WANG Jun，CHANG Chun

（Hubei Provincial Key Laboratory of Solar Energy Efficient Utilization and Energy Storage Operation Control，Hubei University of Technology，Wuhan430068，China）

Abstract： In order to solve the problem of energy inconsistency in the operation of electric vehicle battery， a double-layer equilibrium topology structure was designed based on three-winding transformer， which could realize the energy transfer between arbitrary monomer and monomer， monomer and partial monomer， partial monomer and monomer， and monomer and whole. Comparing the state of charge （SOC） between batteries and the heat production during operation， the equilibrium control strategies of different states were determined. Using MATLAB/Simulink software， the model was built and the simulation was conducted. Experiments show that the balanced method can effectively shorten the balancing time and alleviate the inconsistency problem between batteries. Compared with the traditional transformer balancing method， the balancing time required for standing， charging and discharging shortens by 67.7%， 66.12% and 30.05% respectively.

Key  words： lithium-ion battery；battery equalization；topology structure

［编辑： 潘丽丽］