1. 引言
当今社会由于环境恶劣,资源匮乏,有些人便把矛头指向了燃油汽车,于是全球都开始普及新能源汽车。锂电池相对于其他普通电池来说有着很多优点,例如:能量比较高;使用寿命长;额定电压高;自放电率很低;重量轻,等等 [1] [2] ,所以锂电池渐渐地成为了新能源汽车的主要动力来源 [3] 。为了满足一辆新能源汽车的正常使用,由于单节电池的电压较低,这就需要将多节电池串联成一个电池组 [4] 来给电动车提供能量。由于锂电池在工厂生产过程中的误差以及环境等因素的影响,会使锂电池组在使用过程中会出现不一致的状况 [5] [6] 。而电池组的不一致性会发生电池的使用寿命下降,能量利用率变低,甚至引发爆炸等现象 [7] [8] 。所以锂电池组在使用过程中必须引用电池均衡技术。
目前均衡锂电池组的方法有两种:主动均衡和被动均衡 [9] [10] 。被动均衡是以消耗掉能量较高的电池的能量来实现电池间的均衡,这种方法虽然简单易实现,但是能量损耗太高,不宜使用。主动均衡是把能量高的电池的电量转移到能量低的电池来实现均衡,这种方法能量使用率高,均衡效率高。主动均衡主要包括电容型、电感型、变压器型 [11] 这三种均衡结构。Cuk斩波电路由电容和电感形式组成的均衡电路 [12] ,同时具有充电回路和放电回路,均衡时对两节电池可以同时进行充电和放电,均衡效率更高 [13] ,均衡速度更快。反激式变换器 [14] [15] 可以实现串联锂电池组和单体电池间的转移,均衡效果更好。这里把双向Cuk变换器和反激式变换器组合起来使用,能有效解决在锂电池组中只使用Cuk均衡时,能量在相邻电池间不断转移会有很多能量损失和只使用变压器则体积庞大,成本太高的问题,大大地缩小的它们本身的缺点。均衡分为两个阶段:组内均衡和组间均衡。组内均衡是由双向Cuk电路来实现的,可以使相邻锂电池间快速均衡;而组间均衡是由单向反激式电路实现的,可使串联锂电池组给任意电量低的电池模块进行充电均衡。
2. 均衡电路拓扑结构及其工作原理
2.1. 均衡电路拓扑结构
均衡电路拓扑结构如图1所示,本文提出了一种由双向Cuk变换器和单向反激式变换器组合起来的分组式均衡方案。由结构图可以看到,
为单体电池,n串联的单体电池构成了一个锂电池组,
为MOSFET开关管,
为变压器,
为滤波电容。
均衡电路分为两个均衡阶段:组内均衡和组间均衡。组内均衡由双向Cuk模块组成,组间均衡由反激式变换器和串联的锂电池组构成。模组内的两节相邻的锂电池通过双向Cuk电路来快速均衡,组内均衡后通过单向反激式变换器实现组间的均衡。
2.2. 均衡电路原理
2.2.1. 组内均衡电路
以图1的模块1为例来分析组内中双向Cuk电路的工作原理。每一个模块中因为只有两节电池,所以保证了均衡效率以及均衡速度,减少了电池的能量损耗。
双向Cuk均衡电路由电感L1、L2,耦合电容C1,MOSFET开关管Q1、Q2,续流二极管D1、D2,锂电池B1、B2组成。双向Cuk均衡电路可以实现两节电池能量的双向流动,要实现电池B1的电量向电池B2转移只需要控制开关管Q1,反之,要实现电池B2的电量向电池B1转移只需要控制开关管Q2。
Figure 2. Intra-group equalization circuit
图2. 组内均衡电路
这里假设VB1 > VB2。那么开关管Q1和续流二极管D2处于工作状态,通过控制开关管Q1的导通比来控制开关周期,假设开关管的开关周期为T,导通占空比D为Ton/T。所以在电池均衡的过程中有两个工作状态,如图2所示,绿线回路表示Q1处在导通阶段,则红线回路表示Q1处在关断阶段。
Q1导通期间,二极管D2反偏截止,电池B1与电感L1形成回路,电池B1流过电流对电感L1进行储能;电容C1与电池B2、电感L2形成回路,电容C1通过电流对电感L2进行储能,并对电池B2充电。在电池B1给电感L1充电的过程中,流过电感L1的电流IL1线性增加,因此得到关系式:
(1)
可以得到电流IL1的增加量为:
(2)
在电容C1给电感L2、电池B2放电的过程中,此时电感L2上的电流IL2线性增加,因此得到关系式:
(3)
可以得到电流IL2的增加量为:
(4)
Q1关断期间,二极管D2正向导通,电池B1与电感L1、电容C1形成闭合回路,电感L1对电容C1进行充电;电感L2与电池B2形成闭合回路,电感L2对电池B2进行充电。在电感L1给电容C1充电的过程中,此时电感上的电流IL1线性减少,因此得到关系式:
(5)
可以得到电流IL1的减少量为:
(6)
在电感L2给电池B2充电的过程中,此时电感L2上的电流IL2线性减少,因此得到关系式:
(7)
可以得到电流IL2的减少量为:
(8)
在一个开关周期中,电流IL1和电流IL2的增加量和减少量是一样的,由以上公式可以推到:
(9)
通过计算消去VC1得到了VB1和VB2的关系,得:
(10)
根据这种分析方法同样可以得到VB2 > VB1的情况。
2.2.2. 组间均衡电路
以4节电池为例来分析组间中单向反激式电路的均衡工作原理。在进行完组内均衡后,这时VB1 = VB2,VB3 = VB4。测量并比较两个模组中电池电压之和是否相等,如果不相等则需要进行组间均衡。
反激式变换器由开关管M、变压器T、输出滤波电容C以及整流二极管组成。变压器T有两个绕组,分别为原边绕组和副边绕组。如图3所示,锂电池组接到反激式变压器的原边来给低电量的模组进行充电。当模组1中的总电量大于模组2中的总电量,控制M2的占空比来给模块2进行充电。因为原边和两个副边的匝数比是相同的,所以流过电池B3和B4的电流一样大,可以同时充好电并停止均衡。反激式变换器的工作模式分为连续电流模式(CCM)和断续电流模式(DCM)。断续电流模式在工作的时候,副边产生的峰值电流大约为连续电流模式电流的2~3倍,对负载电流变化响应速度更快并且系统更加稳定。因此,这里反激式变换器工作在DCM模式,在这一段时间内变压器原边电流的增加量为:
(11)
变压器二次侧的增量为:
(12)
变压器二次侧开始给电池组充电时,二次侧电流由最大值线性下降到最小值,即:
(13)
由于工作在DCM状态,那么需满足:
(14)
一次侧电流最大值为:
(15)
由变压器两边特性可知,变压器的二次侧电流最大值为:
(16)
(17)
综合以上公式可以得到:
(18)
(19)
由于要保证变压器二次侧电流在周期内下降到0,那么:
(20)
那么最终就可以得到:
(21)
Figure 3. Intergroup equalization circuit
图3. 组间均衡电路
3. 均衡电路控制策略
在一个电池组中,由于电池之间的内阻、容量等差异,会导致电池之间的电流和电压不均衡,从而影响电池组的性能和寿命。因此,需要对电池间的电流和电压进行均衡控制,以达到均衡分配负载、延长电池寿命、提高电池组性能等目的。电池间电流和电压的控制离不开均衡控制策略。本文采用工作电压作为均衡变量,组内组间都采用开环控制,下文对组内以及组间的控制策略进行介绍。
3.1. 组内均衡电路控制策略
首先进行组内均衡,其中组内均衡控制策略流程图如图4所示。
Figure 4. Flow chart of intra-group balanced control strategy
图4. 组内均衡控制策略流程图
图5为组内均衡控制策略图,采用开环控制策略,控制Cuk变换器将高电压电池的能量转移到低电压电池。这个控制策略通过把组内的两节电池作差,看看是否符合均衡条件,这里设置阈值为0.001,即当组内两个电池的差大于0.001时才会进行均衡工作。假设VB1 > VB2,并且差超过阈值0.001,那么设置好的信号波输出给PWM1,占空比为0.5,这个时候电池B1给电池B2充电,反之一样。
Figure 5. Intra-group balancing control strategy
图5. 组内均衡控制策略图
3.2. 组间均衡电路控制策略
当进行完组内均衡之后则要进行组间均衡,组间均衡控制策略流程图如图6所示。
Figure 6. Flow chart of intergroup balanced control strategy
图6. 组间均衡控制策略流程图
图7为组间均衡控制策略图,采用开环控制策略。这个控制策略通过测量两个模块中的电池电压之和,然后把两个模块中的电压和进行比较作差,看看是否符合均衡条件,这里设置均衡阈值为0.001,即只有当两个模块中电池的电压和的差大于等于0.001,才会进行模块间电池电压的均衡。如果符合均衡条件,则打开和控制电压低的电池模块电路中的开关管,为了使反激式变换器工作在DCM模式,所以要保证变压器二次侧电流在周期内下降到0,根据前文所推算到的公式这里设置占空比D为0.5,对低电压电池模块进行充电,直到两个模块中电池电压之和的差值低于均衡阈值,那么模组间的电池均衡结束。
Figure 7. Intergroup balance control strategy
图7. 组间均衡控制策略图
4. 仿真实验和分析
根据现有的均衡拓扑和控制策略,以4节锂电池为例,在Matlab/Simulink中搭建仿真模型来验证均衡方案可行性。均衡电路仿真模型图如图8所示。
Figure 8. Equilibrium circuit simulation model
图8. 均衡电路仿真模型图
4.1. 仿真参数设置
Cuk电路模块中电感的值为50 µH,电容的值为200 µF,开关管的占空比根据不同的情况去设定。反激式变换器模块中变压器的励磁电感Lm为5 mH,原边和副边的匝数比为3:1,频率为10 kHz,开关管中占空比D设置为50%。
4.2. 仿真结果分析
以4节锂电池来进行实验,把电池分成两个模块,每个模块中有2节锂电池。此均衡电路均衡过程分为两个阶段:首先进行组内单体电池均衡,最后进行组间模块间的均衡。图9为组内双向Cuk电路仿真结果。
Figure 9. Simulation results of intra-group equilibrium
图9. 组内均衡仿真结果
由图可知,在大约0.5 s完成了均衡。
图10为组间均衡仿真结果,由图可以看出4节锂电池在0.3 s到0.4 s之间就达到了均衡。图11为传统Cuk电路均衡仿真结果,可以看出4节锂电池在约1.2 s时才达到均衡。两者在均衡效率差不多的情况下,很显然本文所提出的均衡方案均衡速度更快,大大地提高了锂电池的使用效率。
Figure 10. Simulation results of intergroup equilibrium
图10. 组间均衡仿真结果
Figure 11. Traditional bidirectional Cuk simulation results
图11. 传统双向Cuk仿真结果
5. 结论
针对锂电电池组在使用过程中单体电池的不一致性问题,提出了一种把双向Cuk变换器和反激式变换器组合起来的动力电池组分组式均衡方案,该方案控制简单,均衡速度更快。详细地对各个阶段的电路的工作原理进行了分析并分别制定了相应的均衡策略。以4节锂电池为例,通过搭建Matlab/Simulink仿真模型。仿真结果表明:与传统双向Cuk均衡电路的均衡速度相比,本文所提出的方案均衡速度更快,验证了均衡电路和均衡策略的可行性。