基于改进Buck-Boost的分层均衡电路研究_周英杰.pdf

电工材料 2023 No.1周英杰：基于改进Buck-Boost的分层均衡电路研究基于改进Buck-Boost的分层均衡电路研究周英杰（三峡大学 电气与新能源学院，湖北宜昌 443002）摘要：针对传统Buck-Boost均衡电路在电池数量增多时，会造成均衡时间长，效率低等问题，提出了一种改进Buck-Boost的分层均衡电路拓扑结构。该均衡电路在组内电池与电池或电池组与电池组之间采用双向Buck-Boost均衡器，利用电感储存和传递能量，在组间两电池包之间采用外加外部电源的反激式变压器进行不同程度的充电来达到均衡。以电池的荷电状态（SOC）作为均衡变量，在MATLAB/Simulink中搭建了8节串联锂电池组仿真模型，4节串联电池为一个电池包，两个电池包之间采用组间均衡，设置8节电池直接均衡为对照组。结果表明：在静置状态下，分层均衡所需时间比直接均衡快9.18%，且均衡后分层均衡的容量比直接均衡高1.1%。在外加电源下，能较快将电池组充满电，验证了所提均衡电路的有效性。关键词：Buck-Boost电路；电池均衡；反激式变换器；分层拓扑中图分类号：TM912 DOI：10.16786/ki.1671-8887.eem.2023.01.001Research on Hierarchical Equalization Circuit Based on Improved Buck-BoostZHOU Yingjie(College of Electrical Engineering&New Energy,China Three Gorges University,Hubei Yichang 443002,China)Abstract:Aiming at the problems that the traditional Buck-Boost equalization circuit will cause long equalization time and low efficiency when the number of batteries increases,this paper proposes an improved Buck-Boost layered equalization circuit topology.The equalizing circuit adopts a bidirectional Buck-Boost equalizer between the batteries in the group and the battery or between the battery group and the battery group,uses the inductance to store and transmit energy,and uses a flyback transformer with an external power supply between the two battery packs between the groups.Different levels of charging to achieve the equalization process.In this paper,the state of charge(SOC)of the battery is used as the equilibrium variable,and a simulation model of an 8-series lithium battery pack is built in MATLAB/Simulink.Set 8 batteries to be directly equalized as the control group.The results show that:in the static state,the time required for layered equilibrium is 9.18%faster than that of direct equilibrium,and the capacity of layered equilibrium after equilibrium is 1.1%higher than that of direct equilibrium.Under the external power supply,the battery pack can be fully charged quickly,which verifies the effectiveness of the proposed equalization circuit.Key words:Buck-Boost circuit;cell balancing;flyback converter;hierarchical topology引言近年来随着储能系统的发展，新能源汽车产业进入了飞快地发展之中。由于顾客更青睐能跑得远、跑得快、充电快且续航久的电动汽车，电动汽车制造商在设计时就将大量的锂离子电池串并联起来使用以保证以上特性。由于电池内部结构的差基金项目：国家自然科学基金资助项目（52107108）、湖北重点研发计划项目（2020BAB110）作者简介：周英杰（1998-），男（汉族），湖北宜昌人，硕士，主要从事电池均衡管理研究的工作。收稿日期：2022-06-271电工材料 2023 No.1周英杰：基于改进Buck-Boost的分层均衡电路研究异和在实际工作时环境的温度、充放电电流、自放电率等的不同，导致本就存在的不一致性在使用过程中会越来越大。而这种单体电池间的不一致性，很容易造成单体电池的过充和过放，长此以往，很容易造成整组电池寿命的亏损，导致电车的性能降低，严重时会直接使电池损坏甚至引发爆炸1,2。为了提高电池的容量利用率和使用效率，保证电池组安全可持续工作，优异的均衡技术3,4显得非常重要。目前，按照不同的分类标准均衡方式可以分为很多种。主动均衡和被动均衡是按在均衡电路中对能量消耗的方式的不同而划分的；在线均衡和离线均衡是通过判断均衡电路和主电路是否同时工作而划分的。目前主要的研究内容还是主动均衡和被动均衡。因被动均衡热损耗严重、能量浪费大，所以现在的研究热点主要集中在主动均衡上。依据使用电力电子器件的不同，主动均衡可分为基于电容、基于电感、基于变压器、基于变换器这四大类均衡拓扑6,7。在各种均衡拓扑中，基于变换器（DC-DC）中的Buck-Boost均衡电路因其结构简单，均衡速度较快等特点，得到了研究人员较多的关注。传统的Buck-Boost均衡电路8,9具有结构简单，成本不高且易于集成等优点，但是当所要均衡的电池数量较多时，均衡时间明显变慢，均衡效率也会显著降低。文献10在传统的Buck-Boost均衡电路基础上，将8节锂离子电池按照42的方式采用模块内和模块间的两步均衡，在组内采用传统Buck-Boost电路均衡，利用电感传递能量；而在组间采用反激式变压器均衡。该均衡电路可以在电池串联数量少的时候，实现快速均衡。但是当串联数量增多时，均衡效率大幅降低、控制策略更加复杂且会造成某些多余的电池累积充放电。本研究针对以上均衡拓扑存在的问题，为了进一步减少均衡时间、提高均衡效率，采用一种改进的双向Buck-Boost均衡电路，利用电感进行能量传输，设计了一种分层均衡的拓扑结构。该拓扑不仅结构简单，设计实现较容易、易于扩展，而且均衡时间短，均衡效率高。1均衡电路结构与工作原理1.1均衡电路利用电感和反激式变换器设计了一种组内组间分层均衡的均衡系统。电池包内第k（k为奇数）节和第 k+1这两节锂电池或者第（k-1(k为偶数),k）和（k+1,k+2）这四节锂电池通过双向Buck-Boost均衡电路实现能量均衡，不同电池包之间利用反激式变压器实现组间充电均衡。这样不仅加快了均衡速率，也能快速地给电池组充电，提高电池的利用率。组内均衡电路是由场效应晶体管开关、反向并联二极管、电感组成。以n（n为偶数）个串联电池为例来分析，电路包含n个串联电池，n-1个储能电感，2（n-1）个MOS管和2（n-1）个反向并联二极管。该拓扑虽需要不少电力开关，但是避免了相邻电池间逐次传递能量的问题，可实现简单高效的主动均衡。1.2组内均衡工作原理为简化分析均衡过程，以八节电池为一个均衡单元来分析均衡过程。其中以四节电池串联为一个电池包，采用组内均衡，两个电池包之间采用组间均衡，现先分析组内均衡，如图1所示。假设四节单体电池的能量由高到低依次为B1、B2、B3、B4，此时首先分析B1、B2电池，可知B1、B2均衡过程分为B1放电和B2充电两个阶段。在此阶段，开关管M1-2一直处于关断状态，通过控制开关管M1-1的通断，来控制均衡能量转移。B1 放电阶段：当系统的传感器检测到 B1 的图14节串联电池的组内均衡2电工材料 2023 No.1周英杰：基于改进Buck-Boost的分层均衡电路研究SOC 高于 B2 的 SOC 时，即 t=t0时，MOS 管 M1-1 接收高电平触发信号使其导通，此时电路通过电池B1、MOS管 M1-1、电感 L1形成回路，电池 B1将能量转移到电感 L1上储存起来，若不考虑回路内阻则UL1=UB1（1）iL1=1L1t0t1UB1dt (t0 t t1)（2）因UB1为常数，故此时电感电流iL1从0开始线性增加。当t=t1时，电感电流达到最大值：iL1max=UB1L1Ton=UB1L1DTS（3）B2充电阶段：当t=t1时，开关管M1-1关断，此时电感 L1通过 B2、续流二极管 D1-2导通，形成回路，电感L1将刚才储存的能量释放给电池B2，从而对B2充电，此时有：UL1=-UB1（4）iL1=-1Ltont2UB2dt (ton t t2)（5）故此时电感电流从最大值线性减小，当t=t2时，电感电流降为0，此时一个周期结束。再将B1,B2两电池和B3,B4两电池分别看作一个单元，在B1,B2和B3,B4间进行上述类似的均衡分析。此均衡拓扑与基本的 Buck-Boost 电路的区别有：（1）相比于传统Buck-Boost电路，该电路不再需要相邻电池间依次均衡，加快了均衡速度；（2）在加快均衡速率的前提下，并没有增加电力元器件个数，降低了成本。1.3组间均衡工作原理组间均衡是在组内均衡基础上建立的。组间均衡由两个单独电池包、反激式变压器、MOS管、电感、电容等组成。当两个单独电池包完成了组内均衡之后，导通相应的通路开关，构建成组间均衡电路模型。外部电源通过中间的反激式变压器给右边的两个电池包充电。通过传感器检测到右边两电池包的SOC值和电压值，判断两电池的状态，再通过调节变压器原边侧开关的占空比，来为两个电池包进行不同程度的充电，这样不仅节约了能量还能更快地使电池达到满充状态。2均衡电路控制策略2.1均衡变量要想准确对电池进行均衡必须精准地知道电池的状态。通常把电池的端电压、荷电状态（SOC）这两个变量当作反映电池真实状态的参数。但端电压由于受充放电电流、工作温度、自放电率等影响，很难通过端电压反映电池真实状态；而电池的荷电状态（SOC）类似于油桶中的油的多少，无法直接计算得出，只能间接估算。以额定容量为42 Ah、额定电压为3.6 V的锂离子电池为例进行分析，测得其开路电压 OCV(open circuit voltage)和SOC值的关系曲线如图2所示。由图2可知，SOC在20%80%范围内变化时，电池两端的开路电压变化量很小，这意味着在这期间，如果以电压为均衡变量，可能对电池的实际状态造成误判，不能准确知道电池的真实状态，所以采用SOC作为电池的均衡变量比电压更有效。2.2均衡控制策略均衡控制策略指选择合适的参考变量，通过对该变量的控制来完成能量的转移。目前常采用的是最值均衡法、平均值及差值比较法，为简便分析，采用平均值均衡法。平均值均衡法需要用到以下几个S