分层式主动均衡方法研究_王俊.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期：；修回日期：基金项目：河北省自然科学基金项目（）作者简介：王俊（），男，硕士研究生，：。通信作者：尹志勇（），男，博士，副教授，硕士生导师，：。：分层式主动均衡方法研究王 俊，尹志勇，王 勇，郭 鑫，任晓琨（陆军工程大学石家庄校区 电气与电力工程教研室，石家庄）摘要：针对现有应用储能系统中串联电池组出现的不一致性和单一均衡方式均衡效率低、时间长等问题，提出了一种基于电感的分层式主动均衡方法。在拓扑结构上，底层使用 均衡电路对电池单元内的电池进行均衡；顶层使用单电感均衡电路对电池单元之间的不一致性进行均衡，采用基于荷电状态的相对极差均衡控制策略实现 层均衡同步进行。经过仿真验证，该方法与 组式分层均衡方案相比，均衡速度提高了 ，能量转移效率提升了 ；与分步式均衡控制策略相比，均衡速度提高了 ，能量转移效率提升了 ，有效实现了串联电池组的快速均衡。关键词：磷酸铁锂电池；分层式主动均衡；荷电状态；相对极差；同步均衡本文引用格式：王俊，尹志勇，王勇，等 分层式主动均衡方法研究 兵器装备工程学报，（）：，（）：中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，）：，；，；，：；引言随着可再生能源开发利用，微电网技术逐步应用到军营、边防哨所和野外供电中，有效扩展了军用供电保障方式。微电网技术中，储能系统发挥着举足轻重的作用，其中磷酸铁锂电池具有工作电压高、体积小、使用寿命长、经济环保等优点，在储能电站中被广泛使用。在储能系统中要将大量的单体电池串并联起来，才能实现高电压高容量的使用需求。由于制造工艺复杂，电池生产出来时存在的初始状态不一致性，造成电池串联成组使用时的“先天性”差异，且无法从根源上消除。而使用条件不同和不合理工况将会加剧初始不一致性，造成电池使用性能的下降，进而影响储能系统安全可靠运行。通过提高生产工艺和成组前筛选，可以降低电池初始状态的差异性，而使用中形成的不一致性则需要均衡技术来解决。目前均衡技术主要有 大类，：一是基于电阻的能耗型均衡，又称为被动均衡，该方法结构简单、易于控制、成本低，被广泛应用于工程实践中；二是基于储能元件的非能耗型均衡，又称主动均衡，根据能量转移载体不同，可分为电感式均衡、电容式均衡、变压器式均衡和 变换器式均衡等，具有均衡电流大、速度快、能耗低等优点，是当前均衡技术的研究重点之一。通过对上述主动均衡方式的拓扑结构、均衡效率、均衡速度、控制复杂度等方面分析对比，发现单一主动均衡方式在储能系统中使用时存在均衡速度慢、效率低等问题。文献提出混合式 级均衡方案，通过底层 变换器和顶层反激变压器相结合的拓扑结构，有效提升了长距离能量均衡效率和速度，但存在变压器制作复杂、结构体积大、扩展性不足等问题；文献提出 组分层式均衡方案，底层和顶层均利用 均衡电路来实现电池单体间及电池组间均衡，其中顶层结构是将整个电池串分为 个电池组，从而缩短均衡路径来提高均衡效率和速度，但电池数量多时依然存在均衡路径过长问题。为了解决上述储能系统中均衡方法不足，本文采用基于荷电状态的分层式主动均衡方法，将串联电池组分成若干个电池单元，利用 均衡电路实现单元内电池单体的双向能量均衡，使用单电感均衡电路完成电池单元之间的能量均衡，这样既发挥了各均衡方式的优势，又克服了不足，特别是缩短了均衡路径长度，取得较好的均衡效果，且在拓扑结构和控制复杂度上适中，可实现模块化设计，集成度较高，利于扩展使用。分层式均衡拓扑结构及工作原理分层式主动均衡结构主要由电池状态检测电路、均衡主控制器、驱动电路、顶层均衡器、底层均衡器等构成，其整体结构如图 所示。对串联单体电池分组设置，将 节电池分成 个电池单元，每个电池单元有 节单体电池，当电池不够平均分配时，最后一个电池单元内电池数量可按小于 设置。依靠电池管理系统数据采集模块及相关芯片，完成单体电池及电池单元的状态计算，通过均衡主控制器和驱动电路，实现电池单元内和电池单元间 层能量均衡，最终实现串联电池组内所有单体电池的一致性均衡。图 分层式主动均衡系统结构 底层均衡拓扑及工作原理电池单元内均衡电路是 斩波电路的改进拓扑结构，以功率电感为均衡电路的能量载体，通过开关管实现相邻电池间的双向能量均衡，如图 所示。图 型均衡电路 均衡电路主要由功率电感、开关管、二极管等组成，当电池单元内的不一致性满足均衡条件时，通过 驱动电路控制开关管导通和关闭，从而形成基于功率电感的充放电回路，实现单体电池能量转移。考虑到均衡能量损耗问题，以相邻电池能量转移效率为 为例计算，电池串中从首节到末节能量均衡效率为 ，超过 节串联时，能量转移效率低于，故对单元内电池串联数量要适当控制，数量在 节以内为宜。电池单元内均衡具体工作过程如图 所示。假设电池的能量高于电池，首先是电感充电过程，即电池 放电阶段。控制电路发出驱动信号，开关管 导通，电池、电感 和 组成放电回路，如图 中实线圈所示。根据电感物理特性，电感电流从零增长，电感值一定时，大小取决于开关管的导通时间，此过程中电池 的电能转换为磁能存储在电感 中，电池 的能量减少。而后进入电感放电过程，即电池 的充电阶段。开关管 关闭，、王 俊，等：分层式主动均衡方法研究和二极管 组成放电回路，如图 中虚线圈所示。由于电感 中的电流不会突变，放电电流将从 开始减小，电流方向为逆时针，此过程电感释放存储的磁能，电池 充电。随着放电电流减小，二极管 正向导通电压和放电回路电阻压降之和小于电池电压时，电感停止放电。图 型均衡充放电过程 当单元内电池不相邻时出现不一致，则按照从能量最高单体向最低单体的路径，中间电池作为能量转移中间站，逐个充放电传递能量，最终完成电池单元内的一致性均衡。顶层均衡拓扑及工作原理电池单元间均衡拓扑由一个功率电感和若干开关管组成，其结构如图 所示。首先将每个电池单元作为一个“大电池”，这样整体串联的电池组就被划分为若干个“大电池”，等同于减少了串联电池数量，然后采用单电感均衡方式对任意两不均衡电池单元间进行能量均衡。通过与底层均衡单元配合，改变了单电感均衡方式不适合多电池串联均衡的不足，提高均衡效率与速度，降低了控制复杂度。图 上层单电感均衡电路 顶层均衡过程包括电感充电和放电 个阶段。假设电池单元 能量最高，电池单元 能量最低，达到均衡开启条件后，能量均衡过程如图 所示。图 单电感均衡充放电过程 在 驱动电路控制下，充电阶段开关管、导通，电池单元 通过开关管对电感进行充电，电流沿图 中红色实线箭头方向，电能转换为电感磁能储存起来；放电阶段，控制信号驱动开关管、导通，电感通过开关管回路对电池单元 进行充电，电流方向如图 中紫色虚线箭头所示，电磁能转化成电能，这样电感就完成一次充放电，在 控制电路作用下，重复上述过程，直至达到均衡关闭条件，而后进入下一对电池单元均衡过程。电路参数计算分层式主动均衡设计主要是基于功率电感实现单体电池到单体电池、电池单元到电池单元之间能量转移，在此过程中电感工作状态至关重要。考虑到均衡过程中磁饱和及均衡电流大小控制问题，本文采用电感断续工作模式（）进行均衡。假设电池 的电压 大于电池 的电压，以图 中一个充放电周期为例，电感工作过程为：（）（）（）（）式（）（）中：、为充放电回路的总电阻；为充电时间，为放电时间；为开关管并联二极管导通压降。由于、数值是几十毫欧，为了便于计算，忽略不计，则电感电流成线性变化。时刻电感充电到电流最大值，时刻电感放电到电流最小值，有：（）（）（）式（）（）中：为 波的占空比；为 波的周期；为 波的频率。当电感工作在 状态时，时刻电感电流小于零，即，表示为：（）（）（）简化为：（）磷酸铁锂电池工作区电压 左右，并联二极管导通压降 ，电感工作在 模式时，计算得占空比，综合考虑选择 波的占空比为。考虑到磷酸铁锂电池充放电安全问题，底层均衡和上层均衡电感峰值电流分别为：（）（）由此推导出电感和 频率关系式为：（）兵 器 装 备 工 程 学 报：（）由式（）、式（）看出，电感参数和 频率成反比，在实际工程设计中，电感数值与均衡电路的体积成正比，数值选取大时不利于均衡电路小型化，因此一般选用小电感和高频率 波。相对极差均衡控制策略科学合理的均衡策略可以快速、准确、便捷地实现均衡效果，通常把工作电压和荷电状态（）作为评价电池组不一致性的均衡变量，常用的均衡策略有极值法、平均值法及相邻比值法、模糊控制法等。综合考虑磷酸铁锂电池的工作特性，本文选择电池 作为均衡判断依据，基于“削峰填谷”的均衡原则，使用相对极差作为均衡开启条件，采用分层同步模式，实现单体电池和电池单元间的一致性均衡。相对极差 是指单体电池 最大值或最小值与电池单元 平均值之差，其具体计算公式为：，（）（）（）式（）（）中：为电池单元内第 节单体电池的 值；为串联电池组中第 个电池单元中 节单体电池 的平均值；，是电池单元内最大和最小 值；为正向相对极差；为负向相对极差。设定相对极差阈值为 ，当相对极差 或 大于.时，则开启均衡；当相对极差 或 小于等于 时，则停止均衡。使用相对极差作为均衡开启条件可以有效防止电池过度均衡或反复均衡的问题，提高均衡效率，减少能量损耗。对于底层电池单元来讲，通过电池状态监测模块获得电池工作参数，确定电池 最大、最小单体，计算、等数值，达到均衡开启条件时，均衡控制电路驱动相应 导通，通过 均衡模块对电池单元内 最大与最小单体进行均衡，如此循环，直至单元内所有电池单体满足一致性要求，若出现相同 的最大或最小单体，选择相邻最近单体电池进行均衡。对于上层均衡结构来讲，就相当于电池单元这个“大电池”的，在底层均衡计算基础上，只需计算整体电池组 平均值和确定 最大、最小电池单元，按照相对极差均衡控制策略阈值启动上层均衡，通过功率电感进行最大、最小电池单元间的直接均衡。具体均衡流程如图 所示。仿真实现与验证在 中搭建多节电池的均衡电路仿真模型，通过实时单体电池 的变化，验证本文提出的基于 分层式主动均衡方案的可行性和均衡效果。为了便于验证，搭建了 节串联电池组均衡模型，每 节单体电池为一个电池单元，单体电池使用模型库中自带电池模块，容量设置为 ，额定电压为 ，初始 分别为、。均衡最大电流设为 ，输出脉冲频率为，导通占空比为，根据电路参数计算得底层均衡电路电感值为 ，顶层均衡电感值为。图 分层式同步均衡控制策略 均衡方法可行性验证分层式主动均衡方案可以实现电池静态和动态工作工况时的均衡，且底层均衡和顶层均衡可以同步进行，并不影响储能系统串联电池组主路充放电工作状态。以静态均衡和充电均衡为例，对均衡方案可行性进行验证分析，其仿真结果如图、图 所示。图 静态同步均衡 变化曲线 王 俊，等：分层式主动均衡方法研究图 充电同步均衡 变化曲线 从图 可以看出，在静态工况下，出现不一致超过设定阈值后，级均衡会同时启动，进行相应的能量均衡。从均衡过程看出，能量较高的电池 对单元内电池 进行充电，同时总体能量较高的电池单元 也进行放电均衡，最终电池 放电速度最快，电池 既充电又放电，达到动态平衡缓慢变化，经过 后完成一致性均衡，电池组的 为 。从图 充电动态工况来看，在均衡作用下低能量电池单体整体充电速度较快，高能量电池单体充电速度较慢，经过 均衡，电池组实现一致性。通过对 种工况的仿真，表明基于 的分层式同步主动均衡方案的可行性。均衡方法与策略对比分层式主动均衡方法在控制策略上有 种：一种是分步均衡，即底层均衡完成后再进行顶层均衡；另一种是 级均衡同步进行。以静态均衡为例，对比 种均衡策略，分步均衡仿真结果如图 所示。与同步均衡图 对比来看，种均衡策略都能实现电池组一致性均衡，但同步均衡用时 完成，而分步均衡需要 ，在均衡时间快；在能量转移效率上，同步均衡策略是 ，分步均衡策略是 ，二者相差 。经过 种均衡策略对比，同步均衡时间短、均衡速度快、均衡效率高，表明同步均衡策略具有优越性。图 静态分步均衡 变化曲线 根据文献的均衡方案，本文建立了其仿真模型，单元内串联 节电池，共 个电池单元，在相