基于Boost_Buck电路的锂离子电池组均衡充电方法.docx

基于 Boost-Buck 电路的锂离子电池组均衡充电方法陈益广，唐林，沈勇环（天津大学智能电网教育部重点实验室，天津 300072）摘要：针对锂离子电池组中串联的各单元电池间电量不均衡的问题，提出了一种基于 Boost-Buck 电路的锂离子电池组均衡充电电路。阐明了该均衡电路的工作原理，给出了均衡电路参数的选取原则和均衡充电控制策 略。根据均衡电路拓扑结构搭建电路仿真模型，验证了均衡过程中主电路中储能元件电流、电压变化规律， 并对先恒流后恒压直流电源充电时的单元电池间的均衡充电过程进行了仿真，仿真结果表明均衡效果明显。 关键词：均衡充电；升-降压电路；锂离子电池组；能量转移中图分类号：TM46文献标志码：A文章编号：1003-8930（2014）10-0056-05Equalization Charging Method of Lithium-ion Battery Series Basedon Boost-Buck CircuitCHEN Yi-guang，TANG Lin，SHEN Yong-huan（Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）Abstract：To solve the imbalance problem between different batteries，an equalization charging circuit based onBoost-Buck circuit was proposed for lithium-ion battery series. Working principle of the equalization circuit was illus trated. The selecting principles of parameters in the main circuit and control strategy were given. Simulation model was built according to the equalization topology to verify the variation law of capacitor voltage and inductor current in the main circuit. Equalization simulation was made between batteries while a DC power with function of constant voltage charging after constant current charging was attached to the battery series. The experimental results demonstrated that the equalization effect was obvious.Key words：equalizing charge；Boost-Buck circuit；lithium-ion battery series；energy transfer锂离子电池以其标称电压高、比能量高、自放电率小、使用寿命长和环境友好等特点得到广泛 应用1-2。鉴于应用中对电压等级的要求越来越高， 通常将单体锂离子电池以串并联的方式组成电池 组提高其电压及容量。但是，由于制造工艺的缺陷 以及原材料材质的不均匀，各单元电池的容量和 内阻不可能完全一致。在充放电过程中，容量小内 阻高的单元电池会更快达到饱和或者更快耗尽电 量；容量大内阻低的单元电池则可能发生欠充或 者不完全放电的情况3。单元电池间的不一致性会 在很大程度上影响电池组的整体性能和安全。为 了使电池组中各单元电池的容量在充放电循环过 程中得到充分发挥，提高电池组的寿命，最为理想 的手段就是在电池组充电时对各单元电池采取有效的均衡措施，保证充电完毕时所有单元电池的电压基本一致4。目前，主要有能耗型和非能耗型均衡充电方 案。能耗型均衡充电方案通常令电压较高的单元 电池通过与之并联的电阻放电，直到各单元电池 电压与电压最低的单元电池一致5。能耗型方案结 构简单，控制容易，但均衡效率低、发热严重。非能 耗型均衡方案包括 Boost 分流法6、开关电容法7、 多线圈变压器法8、Ramp 转换法9等；归纳起来，部 分方案是以电感或电容等储能元件为核心，将电 压较高单元电池的能量通过储能元件转移到电压 较低的单元电池，部分方案则以变压器元件为核 心，利用变压器进行能量转移。本文提出了一种基于 Boost-Buck 电路的新型收稿日期：2014-02-19；修回日期：2014-03-19电池组电池组单元电池均衡充电控制器F1S11 PP+E1FS12NN 均衡充电控制管理模块2电S2J11池2S2G1S1G C+组E2S22串F3联M1D1充电F(n-1)直S（n-1）1 HALC流E(n-1)S（n-1）D42M2电FnD5D2 D6D3源Sn1D7-EnSnD8 F(n+1)D92D10 D11图 1 基于 Boost-Buck 电路的均衡充电系统构成 Fig.1 Equalization charging system structure based on Boost-Buck circuit57第 10 期陈益广等：基于 Boost-Buck 电路的锂离子电池组均衡充电方法均衡充电电路，以达到高速高效地均衡各单元电池间电量的目的。值、电容值、电容的预充电最大电压以及均衡过程中电容电压的波动大小确定能量转移策略；能量 转移时对电感电流和电容电压进行实时监测，依 照控制策略控制功率 MOSFET 管与相应继电器的 通断，改变电路拓扑结构，从而完成各单元电池间 电量的均衡。1基于 Boost-Buck 电路的均衡充电电路本文提出的基于 Boost-Buck 电路的锂离子电池组均衡充电系统构成如图 1 所示。2基于 Boost-Buck 电路的均衡充电原理基于 Boost-Buck 电路的均衡充电电路工作时 进行这样几个过程。首先，利用 Boost 升压电路由 某一单元电池对电容预充电，经过多次升压充电， 电容电压 uC 达到幅值较高的预充电电压值 U0，较 高的 U0 可以缩短均衡充电周期，提高系统效率。然 后，对所有单元电池的电压巡检，依据单元电池电 压高低，确定各单元电池需要移出或移入能量次 数。随后，进行各个单元电池之间的均衡充电过 程，由电压较高的单元电池向电压较低的单元电 池转移能量。每次单元电池间的能量转移都包括 电压较高的单元电池通过 Boost 升压电路向电容 进行能量转移和电容通过 Buck 降压电路向电压 较低的单元电池进行能量转移两个过程。一轮均 衡充电过程完成后，再进行新一轮的对电池组各 单元电池电压的巡检以及能量转移工作，直到电 池组内各单元电池的电压基本一致，达到均衡充 电要求。下面介绍单元电池 i 向单元电池 j 进行能 量转移的工作过程。2.1单元电池移出能量工作过程控制电压较高的第 i 只单元电池移出能量时， 首先均衡充电控制器控制继电器 Si 线圈得电，其锂离子电池组由 n 只单元电池串联组成，n 只单元电池阳极和阴极分别通过 n 个继电器上的两 对常开触点与均衡充电主电路并联连接，控制系 统必须保证在每个时段仅能有一只单元电池与均 衡充电主电路连接。由一台先恒流后恒压的直流 电源为整个锂离子电池组串联充电。基于 Boost-Buck 电路的锂离子电池组均衡充 电系统的核心主电路部分可以简化为图 2 所示的 电路拓扑结构。D1LSi1iL两对常开触点 Si 和 Si 闭合；然后，控制功率管 M2保 护 电 路M1+12EiM2uCCD2饱和导通，单元电池 i 的电源电压 Ei 全部施加在电感上，单元电池 i 放电，电感电流 iL 由 0 上升，单元 电池电能转化为电感磁场储能；当 iL 升至单元电池 允许放电最大电流值 Imax1 时，控制 M2 关断；M2关 断后，电感自感电压迫使肖特基二极管 D1 导通， 单元电池 i 和电感同时向电容充电，iL 很快由 Imax1 降为 0，电容电压 uC 在幅值较高的预充电电压 U0 的基础上升至 Um，单元电池电能和电感磁场储能 转化为电容电场储能；iL 一旦降为 0，D1 截止，放电 结束，电容保持在较高电压 Um 不变。当 U0 和电容 的容量较大时，Um 高出 U0 不多。控制继电器 Si 线 圈失电，第 i 只单元电池移出能量控制工作结束。电压较高的第 i 只单元电池能量移出时的工作电路实际上就是利用图 3 所示等效的 Boost 升-Si2图 2 基于 Boost-Buck 电路的均衡充电电路拓扑结构Fig.2 Proposed equalization charging topology based on Boost-Buck circuit主电路由利用继电器切换的 n 个单元电池，电感 L 和电容 C 两种储能元件，功率 MOSFET 管 M1、M2，与M1、M2 分别反并联的肖特基快速恢复 二极管 D1、D2，必要的保护电路构成。单元电池间能量转移时，均衡充电电路的工 作状态受电池组均衡充电控制管理模块所控。均 衡充电控制器通过对各单元电池的电压进行检 测，计算各单元电池间容量的差值，依据容量的差58电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报第 26 卷压电路。图中电阻 R 为包括电池内阻、电感内阻、功率开关管内阻和导线电阻在内的数值较小的等 效电阻。先，控制继电器 Sj 线圈得电，Sj 的两对常开触点 Sj1和 Sj 闭合；然后，控制功率管 M1 饱和导通，电容经2电感向单元电池 j 充电，电感电流 iL 由 0 反向快速增大，电容电压 uC 由 Um 减小，当 uC 减小至 U0 时，控 制 M1 关断，此时 iL 达到反向电流最大值-Imax2。在 电容放电过程中电容储能除很小一部分转化为单 元电池 j 储能外绝大部分转化成电感储能。M1 关 断后，电感自感电压迫使肖特基二极管 D2 续流， 电感继续向单元电池 j 充电，iL 再由-Imax2 降为0，电 感储能转化为单元电池 j 储能。然后，控制继电器 Sj 线圈失电，向单元电池 j 移入能量过程结束。向电压较低的单元电池 j 移入能量时的工作 电路实际上就是利用图 4 所示等效的 Buck 降压 电路，只是电流的实际方向与规定正方向相反。LRD1+iLEiuCM2C-图 3 等效的 Boost 升压电路Fig.3 Equivalent circuit of the Boost processM2 导通后，单元电池 i 为电感充电时，若忽略 电路中电阻，电感两端电压则为单元电池 i 的电源 电压 Ei，iL 随时间增大的规律为iL = Ei t（1）L当 iL 由 0 升至单元电池允许放电最大电流值Imax1 时，所用时间为 LLRM1+iLt1 =Imax1（2）uCEjD2CEi-从 M2关断，电路转入升压工作状态开始，直至 iL 降为 0，升压结束，uC 由 U0 升至 Um，由于电容 已预充很高电压 U0，且电容容量较大，电容电压 uC 变化不大。iL 随时间减小规律近似为图 4等效的 Buck 降压电路Fig.4 Equivalent circuit of the Buck processM1 导通后，电容经电感向单元电池 j 充电时，忽略电路电阻，iL 随时间反向增大的规律近似为iLImax1- uC - Eit（3）i - uC - EjLt（6）LL若近似认为升压过程中 uCU0，当 iL 由 Imax1 降至 0 时，所用时间为若近似认为电容放电过程中 uCU0，iL 由 0 反向升至反向电流最大值-Imax2 时，所用时间为Lt2 Imax1（4）LU0 - Eit3 Imax2（7）U0 - Ej当 Ei 垲（U0 - E）i 时，t1 垌 t2。由此可以看出，电容预充电电压值 U0 越高，升压过程越短，能量转移效率越高。忽略电路中电阻，Boost 升压时电感电压 uL = uC - Ei，由上可知，uL 垌 Ei。且单元电池为电容升压 充电时间极短，因此可认为电容所获得的能量基 本上由电感磁场储能转换而来，即从 M1 关断，D2 导通，由电感为单元电池 j 充电时，iL 随时间反向减小的规律为Ej iL = -Imax2 +t（8）LiL 由-Imax2 反向降至 0 时，所用时间为Lt4 = EImax2（9）j 1 1 222显然，当 Ej 垲（U0 - E）j 时，也有 t4 垌 t3。忽略能量转移时损耗，认为 Imax1 Imax2 时，t1 t4，t2 t3。2.3均衡电路的保护电路设计电路中设置了（n + 1）个快速熔断器 F1、F2、 Fn 和 F（ n+1）。当出现某一继电器线圈失电后其常开 触点不能开断，而其他继电器线圈得电常开触点 闭合后造成单元电池间短路时，熔断器将迅速熔 断，防止电池组出现恶性事故。图 1 中的 HA 为霍耳非接触式电流传感器。LImax1C（Um - U0）（5）22由式（2）和式（5）可见，当单元电池允许放电最大电流值 Imax1、电容预充电电压 U0、电容充电能 够达到的最高电压 Um 以及 iL 由 0 升至 Imax1 所用时 间 t1 确定后，电感量 L 和电容量 C 的大小也就随 之确定。2.2 向单元电池移入能量工作过程在确保继电器 Si 线圈失电且其两对常开触点 断开后，开始向单元电池 j 移入能量的工作过程。首4321AL 0/i-1-2-3-4010203040506070t / ms（a）电感电流605040VC 30/u20100010203040506070t / ms（b）电容电压图 6 电感电流与电容电压变化规律Fig.6 Variation of inductor current and the capacitor voltage59第 10 期陈益广等：基于 Boost-Buck 电路的锂离子电池组均衡充电方法图 2 中保护电路能够防止由于故障或继电器提前动作电感产生的过电压对继电器常开触点造 成的损伤或随之引发的其他恶果。保护电路包括 由 D4D11 等二极管串联构成的支路，以及与该串 联支路反向并联的二极管 D3，这些串联的二极管 的正向导通管压降之和要比单元电池的最高电压 高一些。在单元电池放电期间，若 iL 还不为 0，已经 闭合的继电器常开触点突然打开，则 D3 导通续 流；在向单元电池充电期间，若 iL 还不为 0，已经闭 合的继电器的常开触点突然打开，则串联的二极 管导通。电感电流在各种情况下都有通路。QC = C（Um - U0）（10）式中，QC 为每次均衡充电过程中单元电池转移入或转移出的电荷量。完成各单元电池电压检测后，得到各单元电 压 E（i i = 1，2，3，n），各单元电池需要进行能量 转移的次数 ki 为k =（11）iC（Um - U0）式中：i = 1，2，3，n；CN 为锂离子电池的额定容量。根据式（11）可以通过对各单元电池状态的监 测确定各单元电池间能量转移策略。3 主电路元件参数的选取本文选取的锂离子电池标称电压为 3.7 V，最 高电压为 4.2 V，容量为 5.5 Ah。锂离子电池建议 最大充电电流为 1 倍额定电流，最大放电电流为 2 倍额定电流。因此，电池组均衡充电电路允许通过 的最大充电电流为 1 倍额定电流。若电池组串联充电直流电源以 0.2 倍额定电流对电池组充电，则 均衡充电电路为单元电池充电时的最大电流 Imax2 应不超过 5.5（1 - 0.2）= 4.4 A。虽然单元电池放电 最大电流值 Imax1 越大，电荷转移越快，但是从安全 方面考虑，取 Imax1 = 3 A，此时，Imax23 A。由式（4）、（7）可知，单元电池充、放电最大电 流值相同时，电容预充电电压 U0 越大，单元电池能 量转移时电容充放电时间 t2 和 t3 越短，周期越短， 效率越高。综合考虑后，U0 取 50 V。再根据电容可达到的最高电压 Um，由式（5）可确定电感量 L 与电容量 C 的大小。锂离子电池典型的荷电状态 SOC （state of charge）与开路电压 OCV（open circuit voltage）的关 系如图 5 所示。由图可见，锂离子电池的 SOC 与 OCV 间存在一定的联系，通过锂离子电池开路电压 可以大致地判断单元电池 SOC，现用函数 SOCi = f -（1 E）i 来表示两者关系。由式（10）可知，每次单元电池间均衡充电，单元电池间转移的电荷量就为电容电荷的变化量：4仿真由于均衡充电过程总是通过均衡电路在两只单元电池之间进行，因此只需对两只单元电池间 的 均 衡 充 电 过 程 进 行 仿 真 。 仿 真 时 认 为 功 率 MOSFET 管和二极管为理想器件，具有良好的导通 关断特性，能在瞬间完成动作。仿真参数：电池标称电压为 3.7 V，最高电压为4.2 V，容量为 5.5 Ah；L = 0.02 H，C = 470 F，R =0.05 ，U0 = 50 V，Imax1 = 3 A；两只单元电池初始 SOC 分别为 70%和 80%；先恒流后恒压直流电源 的恒流充电电流为 0.2 额定电流，恒压充电电压为8.3 V。两只单元电池均衡充电时，时间上经历了两 个多的能量转移周期的电感电流及电容电压波形 如图 6 所示，两只单元电池均衡充电过程中单元4.24.03.83.63.43.202040SOC / %6080100图 5 电池 SOC 与 OCV 的关系Fig.5 Relationship between the battery SOC and OCVOCV/VCNnf -（1 E）i -f -（1 E）jnj=160电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报第 26 卷电池电压变化曲线如图 7 所示。45（12）：1110-1115.王震坡，孙逢春，张承宁（Wang Zhenpo，Sun Fengchun， Zhang Chengning）. 电动汽车动力蓄电池组不一致性统 计分析（Study on inconsistency of electric vehicle battery pack）J. 电源技术 （Chinese Journal of Power Sources）， 2003，27（5）：438-441.Kim Jonghoon，Shin Jongwon，Chun Changyoon，et al. 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