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近些年，传统电力系统逐渐向智能化、自动化的方向发展，为了进一步提高电力系统运行的可靠性，大规模储能技术被广泛应用于输电、发电、配电、用电等领域，因此电池储能技术具有广阔的应用前景[1]。锂离子电池单体电压等级有限，单体电池不能满足于储能系统的功率和总电压要求，因此需要将电池单体进行串、并联构成电池组，从而提高电池组的整体电压等级和功率水平[2]。但是单体电池之间的化学和电气特性存在一定差异。
造成这种不一致性的主要原因有电池在制作过程中材质工艺的差异，这种不一致性主要表现在电池的容量、直流内阻、开路电压、荷电状态（SOC）上[3]。此外，电池在不同环境温度下使用，随着使用次数的增加，其老化程度也会存在不同从而增大单体之间的不一致。随着电池的长时间使用，单体之间的差异逐渐积累，会形成电池单体之间的电量不均衡，这种不均衡不仅影响电池组整体容量，还会制约电池组的整体功率性能[4]。
为了缓解电池组单体电池不一致造成的电池组电量不均衡现象，从而提升电池组整体性能，需要对电池系统进行定期均衡。电池管理系统（BMS）通过检测电池组中各单体状态，利用均衡手段将单体电池间的电压或者荷电状态（SOC）保持在一定范围之内，从而提高电池组整体性能。
电池均衡技术是提升电池组整体性能的有效手段。电池均衡从能量转移方式进行分类可分为能耗型均衡和非耗散型均衡[5]。能耗型一般在电池两端并联电阻，通过电阻放电的形式将电能转化为热能消耗掉，以电池组内电量最低单体为基准进行均衡，这种方式的优点是结构简单、成本低，但存在热安全隐患，同时也是能量的浪费。非能耗型均衡可分为基于电容、电感等储能元件[6]的均衡和基于DC-DC变换器[7－8]的均衡。非能耗型均衡主要通过电容、电感或者DC-DC变换器进行单体与单体或者单体与整组电池之间的能量转移，虽然相比于能耗型均衡结构复杂，但能量利用率高，能量转移灵活，是电池均衡技术研究的热点。
本文针对构成电池储能系统的电池模块提出了一种双向主动均衡方法，并详细分析了均衡电路的工作原理和实现方法，设计实验完成了对该方案可行性的验证。
均衡系统构成
本文采用的均衡系统由串联电池模块、12 V蓄电池组、开关阵列、均衡主电路、电压采集电路和单片机控制电路组成，整体结构如图1所示。
图1 均衡系统结构
单片机控制电路是整个均衡系统的核心，通过CAN总线控制电压采集模块，采集电池模块内各单体电池电压，将电池信息汇总后用于制定均衡方案，利用开关阵列实现对需要均衡单体的选通，然后向均衡控制电路发出均衡指令，实现12 V蓄电池组与被选通单体之间的双向能量传递。
1.1 开关阵列
开关阵列由两部分组成，分别是电池单体选通开关和电池极性选通开关。7节电池串联电池组的开关阵列示意图如图2所示。其中，BT1～BT7为7节串联电池组；K1～K8为电池单体选通开关；KP1～KP4为电池极性选通开关。
图2 开关阵列示意图
各个电池选通情况下的每个开关的通断状态如表1所示，其中0表示关断，1表示开通。
表1 开关阵列开关状态表
以电池1和电池2的选通为例说明电池选通过程与充放电回路构成。当选通电池1时，开关K1、K2、KP3和KP4开通，其他开关关断，充放电回路如图3所示。当选通电池2时，开关K2、K3、KP1和KP2开通，其他开关关断，充放电回路如图4所示。奇数单体选通可参考电池1的选通开关组合，偶数单体选通可参考电池2的选通开关组合。
图3 电池1接入的开关组合
图4 电池2接入的开关组合
1.2 均衡主电路工作原理
本文均衡主电路采用的是双向正激DC-DC变换器，其拓扑如图5所示。U1侧为低压侧，U2侧为高压侧。该拓扑主要包含了一个变压器T；两个采样电阻R1和R2；两个滤波电容C1和C2，一个箝位电容C3、一个滤波电感L以及4个开关管Q1～Q4。电路的工作模式可以分为两种情况：能量从单体低压侧U1传到高压侧U2和能量从高压侧U2传到单体低压侧U1。
图5 双向正激DC-DC变换器拓扑
当能量从高压侧传到低压侧时，电路的工作模式和传统的正激电路工作模式相似，4个开关管的驱动信号如图6所示，导通时序可分为4个阶段。
阶段一：时刻t1～t2阶段，开关管Q2和Q3导通，此时输入电流I1流入变压器高压侧绕组的同名端，输出电流I2流出变压器低压侧绕组的同名端。高压侧U2同时给低压侧U1和电感L传递能量。电流的流向和电路工作状态如图7(a)所示；
阶段二：时刻t2～t3阶段，开关管Q2和Q3关断，I2由开关管Q1、Q2的体二极管续流，IT2逐渐减小，IQ1逐渐增大，电感L储存的能量和低压侧绕组的剩磁能量向低压侧释放。电流的流向和电路工作状态如图7(b)所示；
阶段三：时刻t3～t4阶段，开关管Q1开通，I2由开关管Q1续流，电感L储存的能量向低压侧U1释放。电流的流向和电路工作状态如图7(c)所示；
阶段四：时刻t4～t5阶段，开关管Q1关断，I2由开关管Q1的体二极管续流，电感L储存的能量继续向低压侧U1释放。电流的流向和电路工作状态如图7(d)所示。
其中，阶段二和阶段四都是死区阶段，为了防止在Q2和Q3导通的情况下，Q1导通会将低压侧绕组短路。因此，Q2和Q3导通和关断与Q1的关断和导通之间需要存在一定的死区时间。开关管Q4与箝位电容C3串联在一起，并联在开关管Q3两端是为了进行有源箝位，实现变压器磁复位。
图6 能量由高压侧传到低压侧的驱动信号时序图
图7 能量由高压侧传到低压侧的电路工作状态
当能量从低压侧传到高压侧时，电路的工作模式和传统的BOOST电路工作模式相似，区别在实际高压侧与BOOST电路高压侧输出之间增加一个变压器，对高低压侧进行了隔离。4个开关管的驱动信号如图8所示，导通时序可分为2个阶段。
阶段一：时刻t1～t2，开关管Q1导通，低压侧U1向电感L释放能量，输入电流I2逐渐增大，电流的流向和电路工作状态如图9(a)所示；
阶段二：时刻t2～t3，开关管Q2、Q3导通，开关管Q1关断，低压侧U1和电感L一起向高压侧释放能量，输入电流I2逐渐减小，电流的流向和电路工作状态如图9(b)所示。
其中，为了防止出现前述的短路情况外，还为了防止出现关断Q1后，电感L上的电流没有续流回路的情况。因此需要先开通Q2后，关断Q1，最后开通Q3。
图8 能量由低压侧传到高压侧的驱动信号时序图
图9 能量由低压侧传到高压侧的电路工作状态
1.3 主电路参数设计
主电路的参数设计主要对变压器T和输出滤波电感L的考虑。首先确定电路的工作频率为f，最大占空比Dmax，最小占空比Dmin，工作在连续模式。
（1）变压器设计
变压器在电路中的作用是隔离和变压。能量从高压侧传到低压侧的工作模式来看，根据开关管开通和关断时期，电感电流的变化量一致可以得出式（1）（忽略开关管的导通压降）：
式中：U1为低压侧电压；U2为高压侧电压；n为变压器变比；L为滤波电感的电感值；D为选择的占空比；T为开关周期。化简式（1）可得式（2）：
根据Dmax和Dmin以及低高压侧的电压范围可得出变压器变比的范围如式（3）所示：
式中：U1min为低压侧的最低电压；U1max为低压侧的最高电压；U2min为低压侧的最低电压；U2max为低压侧的最高电压。
（2）输出滤波电感设计
选定∆I为电感电流的峰峰值，能量从高压侧传到低压侧的工作模式来看，可根据一次开关周期内电流的上升值可得出：
化简式（4）可得出电感的电感值为：
实验结果与分析
2.1 实验对象与设备
为了对所设计的均衡系统进行验证，实验选取16节电池单体串联构成电池组，实现电池组整体与组内单体之间的双向能量传递，其单体电池的基本参数如表2所示。
表2 电池基本参数
实验设备装置如图10所示。
图10 均衡实验装置图
图10中12 V蓄电池组由4节32650磷酸铁锂电池串联，单体额定电压3.2 V，额定容量5 Ah，初始状态SOC为50%，电源的两端连接均衡电路的高压侧，用于实现与单体电池之间的双向能量传递。均衡实验装置包含开关阵列和双向的DC-DC电路、用于检测电池电压的状态检测电路、基于单片机的均衡控制电路。
2.2 实验设计
为了验证均衡系统的有效性，设计如下实验：对16节单体电池组成的电池组进行编号，从1到16，选择电池组中的编号为11和14的电池作为均衡实验对象，11号电池的初始SOC为20%，14号电池的初始SOC为60%，其他电池单体初始SOC为40%。为了让11号电池和14号电池能够达到SOC的一致，则需要对11号电池进行均衡充电，对14号电池进行均衡放电。根据系统设置，均衡电流选定为3 A，那么均衡时间则可以通过安时积分法得出。实验的预期结果为两节电池的SOC均达到40%。实验中对两节电池进行均衡7 s，停止1 s的方式循环进行，两节电池的电流波形示意图如图11和图12所示(充电电流为正)。
图11 11号电池均衡电流示意图图
12 14号电池均衡电流示意图
2.3 实验结果
实验先对电池14进行放电均衡，再对电池11进行充电均衡。为了获取电池均衡过程中的电压变化曲线，采用Arbin电池测试系统对电池端电压进行监测，该电池测试系统的电压精度可达到±0.2‰，采集的时间间隔为0.1 s，两节电池在均衡过程中的电压波形如图13所示。
图13 电池11和电池14均衡过程中的电压波形
由图13可见，两节电池的初始电压分别为3.573 2和3.733 5 V，实验结束之后两节电池的电压分别为3.629 9和3.620 5 V，初步可见均衡使两节电池的电压差值从0.160 3 V减小到了0.009 4 V。为了进一步从电量角度验证均衡效果，通过电池测试系统Arbin对两节电池进行恒流0.5 C放电，放电的电流、电压及电量的波形如图14和图15所示。
图14 11号电池电流电压和放出电量波形
图15 14号电池电流电压和放出电量波形
从图14中可以得到11号电池放出的电量0.99 Ah，放电前该电池的SOC为38.1%；14号电池放出的电量1.02 Ah，放电前该电池的SOC为39.2%。由此可以得出，两者的SOC与均衡前预计达到40%的目标，最大相差只有1.9%。两节电池的SOC差值由均衡之前的40%减小到了均衡后的1.1%，误差在可接受范围之内。综合上述实验结果，可以得出结论，所提出的均衡电路可以有效实现电池组内部的与外部蓄电池组之间的双向能量传递，从而达到电池组内部电池单体电量均衡的目标。
结 论
本文针对储能单元中串联电池模块均衡问题展开研究，提出了基于双向正激变换器的双向主动均衡拓扑，实现电池模块与外部蓄电池组之间的双向能量传递。对均衡能量转移过程进行了分析，并设计了系统参数。最终搭建了电池均衡实验平台，以16节单体串联构成的电池模块为研究对象，进行了实验验证，结果表明所提出的均衡拓扑可以有效实现电池组均衡，电池组最大SOC差由最初的40%降低达到1.1%。
参考文献：
[1] 袁小明，程时杰，文劲宇.储能技术在解决大规模风电并网问题中的应用前景分析[J].电力系统自动化，2013，37(1)：14-18.
[2] RIBEIRO P F，JOHNSON B K，CROW M L，et al. Energy storage systems for advanced power applications[J]. Proceedings of the IEEE，2001, 89(12SI): 1744-1756.
[3] LU L, HAN X, LI J, et al. A review on the key issues for lithium-ion battery management in electric vehicles[J]. Journal of Power Sources，2013, 226: 272-288.
[4] 周方方.退役磷酸铁锂动力电池不一致性研究[D].大连：大连理工大学，2015.
[5] 鲁文凡，吕帅帅，倪红军，等.动力电池组均衡控制系统的研究进展[J].电源技术，2017，41(1)：161-164.
[6] YE Y, CHENG K W E, FONG Y C, et al. Topology, modeling, and design of switched-capacitor-based cell balancing systems and their balancing exploration[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2017，32(6)：4444-4454.
[7] 吕航，刘承志.电动汽车磷酸铁锂电池组均衡电路设计[J].电源学报，2016，14(1)：95-101.
[8] 李瑞生，徐军，翟登辉，等.三电平DC/DC电源转换技术研究[J].电力系统保护与控制，2017，45(11)：73-80.
作者：余良辉，王 智，杨冬梅，季永超单位：南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司
国电南瑞科技股份有限公司
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