第 40 卷 第 3 期
2020 年 3 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.40 No.3
Mar. 2020
电池组分段混合均衡控制策略
张 娥,徐 成,王康丽,蒋 凯
(华中科技大学 电气与电子工程学院 强电磁工程与新技术国家重点实验室,湖北 武汉 430074)
摘要:为了解决电池组由于制造工艺和应用环境的差异所引起的不一致性问题,针对具有电压平台宽、在充
放电末端电压变化快这类特性的电池体系,提出了一种基于电压和荷电状态(SOC)的分段混合均衡控制策
略。应用 MATLAB/Simulink 仿真平台,搭建基于双向反激式变压器的多绕组结构的主动均衡拓扑结构,并
分别在几种不同的电池组运行工况下验证所提分段混合均衡控制策略的有效性。与采用单一均衡变量的均
衡控制策略进行比较,仿真结果表明分段混合均衡控制策略在电池组充电完成或放电结束后能够同时保持
电池组电压和 SOC 良好的均衡效果;所提分段混合均衡控制策略能够更有效地提高电池组的一致性。
关键词:电池组;不一致性;均衡;拓扑结构;混合控制策略
中图分类号:TM 911 文献标志码:A DOI:10.16081/j.epae.202002014
0 引言
大规模储能技术是构建可再生能源高渗透率电
网、促进能源转型的关键支撑技术
[1 ⁃ 2]
。在众多的储
能技术中,储能电池由于具有配置灵活、响应速度
快、维护成本低等特点,在电网调峰/调频、分布式
发电、电动汽车等领域具有广阔的应用前景
[3 ⁃ 4]
,是
储能技术研发和应用较为活跃的领域
[5]
。近年来,
国家相关政策的出台以及资金的扶持极大促进了储
能电池技术的发展,未来储能电池的性能有望大幅
度提高,将进一步推动其大规模应用。在实际的储
能应用中需要将大量的单体电池串并联成组使用,
以达到大容量储能系统的电压和容量要求
[6 ⁃ 7]
。然
而,由于制造工艺和使用环境的差异,单体电池的容
量、内阻、自放电率以及温度等参数会存在不一致
性,且不一致性将会随着电池服役时间的增长而逐
渐恶化,从而显著降低电池组的有效容量和缩短电
池组的循环寿命,严重制约电池组的整体性能
[8⁃9]
。
因此,在实际应用中需要对电池组进行均衡控制,降
低成组单体电池间的不均衡程度,以削弱单体电池
间的不均衡所带来的影响,优化电池组性能以及延
长其使用寿命,保证电池组安全、高效运行。
目前,国内外众多学者已经对电池组均衡控制
进行了大量的研究。文献[10]介绍了多种均衡拓扑
的工作原理,并从拓扑结构的复杂性、均衡速度、均
衡效率以及系统成本等方面,分析了其优缺点,为根
据实际应用场合需求选择合适的均衡拓扑结构提供
了合理的依据。文献[11]针对锂离子电池组容量不
一致性的问题,提出了一种以热力学荷电状态 t-SOC
(thermodynamic-Stage Of Charge)作为均衡判断依
据以及以 动 力 学 荷 电 状态 k-SOC(kinetic-Stage Of
Charge)作为均衡控制依据的均衡控制策略,但需要
在均衡过程中实时计算每一节单体电池累计的均衡
安时,计算量相对较大且计算精度要求高。文献
[12]在采用以荷电状态(SOC)作为均衡变量的基础
上,引进模糊逻辑控制算法,经卡尔曼滤波方法估计
得到电池 SOC,其均衡结果依赖于电池 SOC估计的精
确性。文献[13]针对磷酸铁锂电池提出一种考虑温
度影响的 SOC 估计方法及电池均衡模型,由实验结
果可看出:当电池处于电压平台期时,虽然电池组的
电压一致性很高,但其 SOC 离散度仍相对较大,采用
基于平均电压的被动均衡方法的均衡效果不是很理
想。文献[14]提出一种多变量均衡控制策略,从仿
真结果可看出,多变量均衡控制下的电池组老化速
率和温度的一致性比 SOC 均衡控制策略更高,但电
池组 SOC 的均衡效果则远差于
SOC
均衡控制策略。
综上所述,在目前已有的均衡策略中,多变量均
衡策略虽然考虑到电池温度、老化速率等参数的均
衡问题,但制约了 SOC 变量一致性的进一步提高。
目前大多数均衡方案均采用单变量均衡策略,其均
衡拓扑结构、控制策略相对简单,容易实现,但仅能
针对单一变量(如 SOC、单体电压等)进行均衡控制。
针对具有电压平台宽且在充放电始末端电压变
化快特点的电池体系,如磷酸铁锂电池
[15]
、液态金属
电池
[16]
,本文提出一种基于双向反激式变压器的分
段混合均衡控制策略。分段混合控制策略具体是指
将电池组的整个充电或放电过程分为始末段和中间
段,分段分别选取均衡变量进行均衡控制。其中始
末段选取电池电压作为均衡变量,中间段选取电池
收稿日期:2019-08-27;修回日期:2019-12-09
基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFB0905600);国家
自然科学基金资助项目(51622703,U1766216)
Project supported by the National Key Research and Deve-
lopment Program of China(2018YFB0905600) and the Na-
tional Natural Science Foundation of China(51622703,U176-
6216)
SOC 作为均衡变量。基于双向反激式多绕组变压器
的均衡电路具有结构简单、开关管数量少、易于控制
等特点;分段混合均衡策略能够在电池充电完成或
放电结束时同时实现电池 SOC 和电压的均衡,可以
更有效地提高电池组的一致性,避免电池组出现过
充或过放现象,保证电池组安全、高效运行。
1 均衡电路拓扑结构及其工作原理
1.1 均衡电路拓扑结构
基于双向反激式变压器多绕组结构的均衡电路
见图 1,其由开关管、整流二极管、电容、变压器以及
n
个单体电池构成。开关管选用功率场效应晶体管
(MOSFET),并采用脉宽调制(PWM)控制方式;整流
二极管选用肖特基二极管,其开关频率高且正向压
降小,正常导通压降约为 0.6 V;变压器为多绕组结
构,有 1个原边绕组、n -1个副边绕组,每一个绕组对
应一个单体电池,变压器起着隔离、储能的作用。在
均衡过程中,将 SOC 最高或电压最高的单体电池接
入变压器原边,其余单体电池接入变压器副边,通过
控制开关管的有序导通与关断,实现电池组均衡。
变压器工作时需遵循磁通复位原则,否则变压
器会出现磁通饱和问题,造成开关管损害。磁通复
位是指在一个周期内,变压器在开关管导通期间增
加的磁通量应等于开关管关断期间减少的磁通量。
在开关管的一个周期内,变压器磁通量的变化
量
ΔΦ
可以表示为:
ΔΦ =
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
(U
i
/N
p
)t t ∈ [ 0,DT
n
]
U
i
N
p
DT
n
-
U
o
+ 0.6
N
s
(t - DT
n
) t ∈ ( DT
n
,T
cr
]
0 t ∈ (T
cr
,T
n
]
(1)
其中,
N
p
、
N
s
分别为变压器原边、副边绕组的匝数,且
有
N
p
∶
N
s
= 1;
U
i
、
U
o
分别为变压器的输入、输出电压;
T
cr
为磁通量等于 0 的时刻;
T
n
为开关周期;
D
为占空
比。当
T
cr
= T
n
时,将
t = T
n
代入式(1)的第二个子式
中可得:
U
i
N
p
DT
n
-
U
o
+ 0.6
N
s
(T
n
- DT
n
)≤ 0 (2)
因此,占空比可以表示为:
D ≤
1
1 + U
i
/ (U
o
+ 0.6 )
(3)
一旦确定变压器的输入电压和输出电压,则占
空比可根据式(3)得到。
1.2 均衡电路工作原理
在电池组处于充电、放电和静置的过程中,电池
组配备的均衡电路能够保证各单体电池的 SOC 或者
电压趋于一致,从而避免个别单体电池因过充、过放
导致其提前老化,影响电池组的正常使用。
将电池组中能量最高的单体电池接入变压器的
原边,其余单体电池接入变压器的副边。在原边开
关管 Q
1
导通期间,原边绕组储能;当原边开关管关
断时,原边绕组中的能量传递给副边绕组,在该期间
副边绕组经整流二极管续流,给其余单体电池充电。
该均衡电路在均衡过程中可有针对性地将易过
充单体的多余能量进行转移,维持各单体电池电量
的基本均衡,从而避免单体电池的过充/过放现象。
2 均衡控制策略
2.1 均衡变量的选择
在设计电池组的均衡策略时,均衡变量的选择
会直接影响均衡效果。目前常见的均衡变量有电池
端电压以及电池 SOC
[17]
。电池电压可直接测量,将
其作为均衡变量容易实现,但由于电池电压是电池
的外特性参数,并不能完全表征电池的整体性能。
电池
SOC
能够表征电池的整体性能,SOC 均衡最根
本的目的是平衡电池间的剩余电量及 SOC 的差异,
直接以 SOC 作为均衡变量是比较理想的均衡方式。
然而,电池 SOC 需要根据电压、电流以及温度等电池
参数近似估计得到,以电池 SOC 作为控制变量的均
衡策略需要依赖精确可靠的 SOC 估计
[18]
。
本文针对的均衡对象是磷酸铁锂电池、液态金
属电池等具有电压平台宽且在充放电末端电压变化
快特性的电池体系。对于这类电池体系而言,其电
压-SOC 曲线有明显的电压平台期,在电压平台期电
压的一致性并不能代表电池 SOC 达到一致性,即当
电池组各单体电池的电压差异不大时,SOC 差异甚
至可能达到 50 % 以上,显然此时以 SOC 作为评价电
池组一致性的标准更为合理,另外在电压平台期电
压比较稳定,有利于得到更为精确的 SOC 估计值。
电池在充放电末端电压变化快,即使单体电池间
SOC 差异很小,单体电池的电压差异也非常明显,在
这一阶段以电池电压作为均衡控制变量更有利于提
高电池组的一致性。考虑上述因素,本文提出了基
于电池电压和 SOC 的分段混合均衡控制策略,即在
电池充放电始末端以电池电压作为均衡控制变量,
在电池处于电压平台期时以电池 SOC 作为均衡控制
图 1 均衡电路的拓扑结构
Fig.1 Topological structure of eq ualization circuit