串联电池组双向全桥 SOC 均衡控制系统设计

第ｌ９卷第３期　２０１５年３月　电　机　与　控　制　学　报　

Ｅｌｅｃｔｒｉ　Ｃ　Ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｖ０１．１９　Ｎｏ．３　

Ｍａｒ．２０１５　

串联电池组双向全桥ＳＯＣ均衡控制系统设计　孙金磊，　逯仁贵，　魏国，　郭尧，　朱春波　（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨１５０００１）　

摘要：针对电池制造工艺和使用环境不同所引起的单体间电量不均衡问题，结合双向开关电源理　论提出了一种集中式能量转移型单体一整组双向电池均衡方案，根据电池组内单体剩余电量（ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）在电池组内部进行电量双向转移，采用反馈电路保证均衡电流恒定。通过实验获得　电池单体开路电压的滞回特性曲线，并结合充电和放电状态下ＳＯＣ与开路电压对应关系估计各电　池单体ＳＯＣ，以ＳＯＣ一致作为均衡目标。实验结果表明，所设计的均衡器均衡电流达到３Ａ，可以　满足电池系统均衡需求。　关键词：电池均衡；均衡策略；双向全桥；剩余电量；滞回特性　ＤＯＩ：１０．１５９３８／ｊ．ｅｍｃ．２０１５．０３．０１２　’　中图分类号：ＴＭ９１２　文献标志码：Ａ　文章编号：１００７—４４９Ｘ（２０１５）０３—００７６－０６　

Ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｆｕｌｌ—ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ＳＯＣ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｓｅｒｉｅｓ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｓｔｒｉｎｇ　

ＳＵＮ　Ｊｉｎ—ｌｅｉ，ＬＵ　Ｒｅｎ—ｇｕｉ，　ＷＥＩ　Ｇｕｏ，　ＧＵＯ　Ｙａｏ，　ＺＨＵ　Ｃｈｕｎ—ｂｏ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ　ｉｍｂａｌａｎｃｅ　ｆｏｒ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｐａｃｋ．Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ，ａ　ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｕｓｉｎｇ　ｃｅｎｔｒａｌｉｚｅｄ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｗａｓ　ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ　ｂｙ　ａ　ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｆｕｌｌ－ｂｒｉｄｇｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．Ｃｌｏｓｅ　ｌｏｏｐ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍａｋｅｓ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｓｔａｎｔ．Ｔｈｅ　ｃｅｌｌ　ＳＯＣｓ　ｗｅｒｅ　ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｏｐｅｎ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｖｏｌｔａｇｅ（ＯＣＶ）ｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　ｃｕｒｖｅｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｅｆｆｅｃｔ．Ｅｘｐｅｒｉ—　ｍｅｎｔｓ　ｗｅｒｅ　ｔａｋｅｎ　ｔｏ　ｅｖａｌｕａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｉｓ　３Ａ，ｗｈｉｃｈ　ｓａｔｉｓｆｉｅｓ　ｔｈｅ　ｒｅｑｕｉｒｅ—　ｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｂａｔｔｅｒｙ　ｐａｃｋ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂａｔｔｅｒｙ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｓｔｒａｔｅｇｙ；ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ；ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒｇｅ（ＳＯＣ）；　ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ　ｅｆｆｅｃｔ　

０　引　言　近年来，由于环境问题和能源问题的日益凸显，　电动汽车逐渐进入人们的视野，成为各国开发和推　广的重点。目前，影响电动汽车、混合动力电动汽车　推广应用的主要瓶颈是电池系统。化学蓄电池中镍　收稿日期：２０１４—０２—２５　基金项目：国家高技术研究发展计划（８６３计划）（２０１２ＡＡＩ１１００３）；国家自然科学基金（５１２７７０３７）；黑龙江省应用技术研究与开发计划项目　（ＧＡ１３Ａ２０２）　作者简介：孙金磊（１９８５一），男，博士研究生，研究方向为电动汽车电池管理系统及电池均衡技术；　逯仁贵（１９７８一），男，博士，副教授，研究方向为智能测试与控制、电动汽车电源管理等技术；　魏国（１９６６一）。男，博士，教授，研究方向为测控系统、无线电能传输等技术；　郭　尧（１９８７一），男，博士研究生，研究方向为无线电能传输技术；　朱春波（１９６４一），男，博士。教授，研究方向为电动汽车电池管理、无线电能传输等技术。　通讯作者：朱春波　７８　电机与控制学报　第ｌ９卷　能阶段。在两个桥臂的开关管互补工作阶段，电感能　量释放，通过变压器耦合到电池模块侧。这种驱动方　式相当于在前级增加了一级升压，从而保证足够的升　压比。工作于升压模式下，输入输出电压有　Ⅳ．　・。　（１）　

其中，Ｄ　为升压模式下的占空比，范围为５０％～　８０％。Ｎ。和Ⅳ２分别为变压器原边和副边的匝数，　

，　分别为单体侧和整组侧电压。　

图２均衡主电路驱动控制结构图　Ｆｉｇ．２　Ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｅｑｕａｌｉｚｅｒ　

当均衡主电路工作于降压模式时，整组侧ＰＷＭ　产生电路工作，ＭＯＳＦＥＴ　Ｑ１～Ｑ４工作，二极管Ｄ５～　Ｄ８做桥式整流，此时ＰＷＭ占空比小于５０％，电感￡　作为滤波电感工作。因为整组侧电压高、电流小；单　体侧电压低、电流大，为了减少整流时的损耗，降压模　式下采用同步整流提高效率。高速光耦将整组侧的　ＰＷＭ信号同步耦合到单体侧，通过驱动电路实现　ＭＯＳＦＥＴ　Ｑ５～Ｑ８同步整流工作方式。反馈调节电路　通过改变ＰＷＭ信号的占空比，使流过单体侧检流电　阻　上的电流恒定。降压模式下输入输出电压有　

＝　。　Ⅳ，～　

其中，Ｄ：为降压模式下的占空比，范围为０～５０％。　变压器的选择需要满足电路两种模式下均能提　供足够的变比。如果变压器变比过大，尽管能够满　足升压要求，但是降压时输出电压会低于电池电压，　无法给电池充电。相反，若变比过小，尽管能够满足　降压要求，但单节电压无法升至整组电压，无法给整　组充电。若电池组由／１，节电池串联，则　／Ｕ，＝ｎ，　变压器的变比要满足　Ⅳ．　２ｎ（１一Ｄ１）＜　＜２ｎＤ２。　（３）　

同时为了减小变换器的功率环流，减小开关管　的损耗从而提高变换器的效率，本文采用双重移相　控制　。　２均衡策略　２．１两种均衡模式分析　２．１．１升压模式均衡过程分析　设某节电池的电量比平均电量高出△，均衡电流　为，ｅ。　，则开关网络将该节电池接人均衡主电路的单　体侧，并使均衡主电路工作于升压模式，均衡时间为　ｔ＝Ａ／Ｉｏ　。　（４）　此时，该节电池给整组电池充电，对该节电池而言，　其电流有　，ｄＩｓｃｈ　。＝，。　一，。ｈ　。　（５）　其中，，ｄ　为实际放电电流，Ｉｏ　为整组侧的充电电　流。式（５）表明，该节电池的实际放电电流小于　，经过时间ｔ，该节电池减少的电量为　ｌｄｉ。　ｈ。　。ｔ：　ｑ　ｔ—Ｉｏｈ　ｔ＝Ａ—Ｉｏｈ　ｔ。　（６）　而经过时间ｔ，其他电池被充的电量为ｌｅｈａｔ。　通过对比式（６）可以看出，经过时间ｔ，该节电　池高出的电量被平均分配到电池组的每个单体中。　２．１．２降压模式均衡过程分析　设某节电池的电量比平均电量低△，均衡电流　为　，则开关网络将该节电池接人均衡主电路的单　体侧，并使均衡主电路工作于降压模式，均衡时间如　式（４）所示。　此时，整组电池给该节电池充电，对该节电池而　言，其电流有　，　ｈ　＝，ｅ　一，ｄ；　。　（７）　其中，　为实际充电电流，，ｄｉ。为整组侧的放电电　流。式（７）表明，该节电池的实际充电电流小于　，经过时间ｔ，该节电池增加的电量为　，ｃｈ　ｒｇｅｔ＝，ｅ　ｔ一／ｄｉｓｔ＝Ａ＝Ｉｄｉ。ｔ。　（８）　而经过时间ｔ，其他电池被放的电量为ｌｄｉ。ｔ。通过对　比式（８）可以看出，经过时间ｔ，该节电池的电量偏　差△被消除。　２．２均衡策略　传统的均衡策略是以电池电压作为判据。当电　压的不一致性达到一定程度时认为需要均衡，当各　单体电压一致时，认为均衡结束。而实际上，能量转　移型均衡中必然同时存在充电电池和放电电池，受　锂电池充放电滞回特性的影响，电池充电电压曲线　和放电电压曲线是不重合的，因此如果按照电压一　致的均衡策略进行均衡，均衡后的电池虽然电池电　压已经一致，但实际电量仍存在差异。磷酸铁锂电　池充放电ＳＯＣ—ＯＣＶ滞回曲线如图３所示，从图中　可以看出，在ＯＣＶ相同的点，被充电电池的ＳＯＣ比　被放电电池的ＳＯＣ低，以３．３　Ｖ电池电压为例，对于　第３期　孙金磊等：串联电池组双向全桥ＳＯＣ均衡控制系统设计　７９　充电曲线和放电曲线，ＳＯＣ分别为６０％和３０％，如　果按照电压一致的策略进行均衡将可能造成误判形　成过均衡，有可能损坏电池。　为避免滞回特性带来的影响，本文的均衡策略　以各单体的ＳＯＣ作为判据。尽管目前有很多方法　估计ＳＯＣ，如安时法、开路电压法、卡尔曼滤波法　等　Ｊ，以及这些方法的结合，但最普遍和准确的方　法还是根据电池长时间静置时开路电压和ＳＯＣ的　关系进行估计的开路电压法。ＳＯＣ的估计本身存　在误差，误差的存在可能会导致均衡过度，造成能量　的损失，并有可能损坏电池。因此，防止均衡过度　带来的损失在ＳＯＣ估算时留一定的域量，即：若估　算所得ＳＯＣ大于平均ＳＯＣ，则以当前ＳＯＣ减去估算　误差作为实际ＳＯＣ；若估算所得ＳＯＣ小于平均　ＳＯＣ，当前ＳＯＣ加上估算误差作为实际ＳＯＣ。　

言　删　瀣　

图３磷酸铁锂电池充放电ＳＯＣ—ＯＣＶ曲线　Ｆｉｇ．３　ＬｉＦｅＰＯ４　ＳＯＣ－ＯＣＶ　ｃｕｒｖｅｓ　ｆｏｒ　ｃｈａｒｇｉｎｇ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ　因为静态条件下电池开路电压稳定，并且没有　电压电流冲击，具有更高的可靠性，所以在电池组定　期维护时在静态条件下对电池组进行均衡操作是可　行的，均衡过程如下：　计算每节单体ＳＯＣ与平均ＳＯＣ的差值△　，若　△　为正值，则均衡主电路工作于升压模式；若△　为　负值，则均衡主电路工作于降压模式，均衡时间为　ｔ　＝△　／Ｉ。　。　（９）　对每节单体做如上的均衡，直至所有单体均衡结束。　

３　实验结果　均衡实验针对１２节单体串联的ＩＦＲ３２６５０磷酸　铁锂电池组进行，其各项参数如表１所示。均衡实　验如图４所示。　

表１　ＩＦＲ３２６５０磷酸铁锂电池参数　Ｔａｂｌｅ　１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ＩＦＲ３２６５０　ＬｉＦｅＰＯ４　ｂａｔｔｅｒｙ