电容式串联电池组均衡电路研究

汤 杰，冯能莲，陈升鹏，石盛奇，潘 阳

电容式串联电池组均衡电路研究

汤 杰，冯能莲，陈升鹏，石盛奇，潘 阳

针对传统电容式均衡电路在串联电池组上均衡速度较慢的问题，提出一种采用分层开关电容电路实现单体电池间电压均衡的方案。该电路具有集中式和分散式飞渡电容均衡电路的特点，为电荷转移提供了更多的路径，使均衡效率提高。在 MATLAB/Simulink环境下与传统电容式均衡电路进行了均衡仿真实验对比，结果表明该均衡方案适合电池组电压不一致分布的各种情况，提高了均衡速度。

串联电池组；不一致性；电容式均衡电路；均衡速度

1 电池均衡技术

用于串联电池组的均衡电路主要有两类：一是能量消耗型，指利用并联电阻等方式将电池组中电量较多的电池的能量进行耗散，直到其荷电状态到达平均值的均衡电路；二是非能量消耗型，即利用电容、电感等储能元件在单体电池或电池组之间进行能量转移，使电池组电压保持一致的均衡电路[3]。其中以电容作为储能元件的电容式均衡电路具有体积小、能量损耗低的优势[4-5]。本文主要对电容式均衡电路进行了研究。

1.1 电容式均衡

传统的电容式均衡电路主要有飞渡电容式均衡和开关电容网络均衡[6-7]。飞渡电容式均衡又有集中式均衡和分散式均衡。

集中式均衡是在一定的判断逻辑下，通过控制相应的开关与电容C1的连接，可在串联电池组B1-B4中电压最高和最低的单体电池之间进行电荷转移，使电池电压高的下降，电池电压低的上升，实现电池组电压均衡，如图1所示。该均衡电路控制实现较复杂，对电压检测电路要求较高。

分散式均衡通过控制开关的转换，利用分散的电容器C1-C4在电池组B1-B4相邻的单体电池之间进行电荷转移，直至电池组电压均衡完成，如图2所示。该均衡电路在高、低压电池分隔较远时，相邻电池之间存在的电压降的累积，均衡效率变低。

开关电容网络均衡经过控制所有转换开关同时向上或向下闭合，而使成组电容C1-C4同时在串联电池组B1-B4相邻电池单体之间进行能量转移，最终实现电池组电压均衡，如图3所示。与分散式均衡电路相似，该均衡电路在高、低电压电池分隔较远时，相邻电池之间也会存在的电压降的累积，均衡效率变低。

图1为3台泵运行、无任何防护措施、泵出口阀不关闭条件下的停泵水力过渡过程计算结果。（a）为沿线压力包络线；（b）为泵出口阀后压力的变化过程；（c）水泵流量的变化过程；（d）桩号2+796处压力变化过程。

图1 集中式飞渡电容均衡电路

图2 分散式飞渡电容均衡电路

图3 开关电容网络均衡

图4 开关电容分层均衡

1.2 开关电容分层均衡电路

基于对以上3种已有的电容式均衡电路的分析，提出了一种开关电容分层均衡电路，如图4所示。该均衡电路由电池B1-B4、电容C1-C3和开关S1-S6构成，具有集中式与分散式飞渡电容均衡电路的结构特点，同时融入了分层控制的思想。在结构上分别以B1-C1-B2和B3-C2-B4作为两个基本的均衡单元，然后再以这两个基本均衡单元和C3组成新的均衡单元。相比集中式飞渡电容均衡电路，该均衡电路具有更多的电荷转移路径，相比分散式飞渡电容均衡电路和开关电容网络均衡电路，该均衡电路降低了均衡电路可能存在的电压降。

1.2.1 均衡工作原理

该均衡电路首先通过电压检测模块检测出串联电池组压差状态，然后与设定的压差进行比较作为均衡是否启动的依据。如图 5所示，电池B1-B4的端电压分别为V1-V4。现假设V1＞V2＞V3＞V4。当均衡电路启动时，均衡过程分成两个工作阶段：

电容充电阶段：如图 5（a），开关 S1-S6向上闭合，电池B1、B3和电池组B1+B2分别对电容C1-C3进行充电。设电容C1-C3初始电压值分别为VC1c0-VC3c0，由三要素法[7]分别可得各电容充电电流IC1c-IC3c和端电压VC1c-VC3c。以电池B1、B2为例：

电容放电阶段：如图5（b），开关S1-S6向下闭合，电容C1-C3分别对电池B2、B4和电池组B3+B4进行充电。设电容C1-C3初始电压值分别为VC1d0-VC3d0，同理，可得各电容放电电流IC1d-IC3d和端电压VC1d-VC3d。以B1、B2为例：

以上各式中：C1、C2分别为电容C1、C2的容值；R为充放电回路中等效阻抗，包括开关电阻、单体电池等效阻抗和回路中其他部分寄生电阻。

如上所述，随着均衡的进行，各电容在各自均衡单元不断的与高、低电压电池或电池组交替并联转移电荷，不断循环直到实现整个电池组的电压均衡。

图 5 V1＞V2＞V3＞V4 状态下的均衡过程

总结前文对4种均衡电路分析可知，高、低电压电池在每个均衡周期内只进行了1次充或放电。值得注意的是，集中式飞渡电容均衡电路与开关电容分层均衡电路可通过增加对称的均衡电路来提高均衡电路的均衡速度。使每个均衡周期内高、低电压电池可进行2次充电或放电，可减少约一半的均衡时间。但是这将会增加1倍的均衡电容和开关元件，需根据具体情况分析而定。

2 仿真验证

2.1 均衡仿真

在MATLAB/Simulink环境下，以4块单体电池串联的电池组为例，分别建立了上述4种均衡电路的仿真模型并做了均衡仿真试验对比，对其均衡效果进行了验证。

根据均衡原理，均衡电容的参数对均衡电路的均衡效率影响较大，它的选取受开关管的工作频率和电池组充电方式等影响。为缩短仿真时间，在均衡电路仿真模型中，单体电池用串联的等效电容与等效电阻代替，开关由MOSFET模块组成。仿真电路参数设置如表1所示。

表1 仿真电路参数

表2给出了电池组初始电压的4种分布情况。1、电池B1电压最高，B4电压最低，其余电池电压相等；2、电池B1电压最高，B3电压最低，其他电池电压相等；3、电池B1电压最高，B2电压最低，其余电池电压相等；4、电池B2电压最高，B3电压最低，其余电池电压相等；上述4种情况基本涵盖了最高电压和最低电压电池分布的各种情况。随后进行均衡仿真试验，对各种均衡电路的均衡效果进行验证。

表2 电池组初始电压分布

2.2 均衡过程分析

图6给出了在1和3两种电压分布情况下，4块串联单体电池分别采用4种均衡电路均衡时，电池组电压变化的过程。下面对其均衡过程进行了分析。

第1种情况：图6（a）所示，高、低电压电池分隔最远。在开关电容网络均衡与分散式飞渡电容均衡电路中，电池 B1、B2、B3中相对多余的电荷通过电容组C1、C2、C3分别向电池B2、B3、B4转移。均衡初期，由于电池组中相邻电池初始压差不同，V1、 V4分别以相同的速率下降、上升，而 B2接收的电荷量大于转移的电荷量，V2略有上升，B3则相反。随着均衡的进行,电池组中各相邻电池之间压差达到相等，随后以相同的速率逐渐减小。随着这种压差的减小，均衡速度也逐渐变慢，最终电压趋于一致。在集中式飞渡电容均衡电路中，电池B1中电荷通过电容C1直接转移给电池B4，V1、V4分别以相同的速率下降、上升，而V2与V3保持不变，直至均衡结束。在开关电容分层均衡电路中，电容 C1、C2分别对电池B1与B2、B3与B4均衡，使V2、V3有所上升。同时电容C3对B1+B2和B3+B4均衡，C3缩短了高、低压电池间电荷转移的路径，V1、V4分别以更快的速率下降、上升，直至均衡实现。

第 3种情况：图 6（b）所示，高、低电压电池相邻。在所有 4种均衡电路中，高、低电压电池直接通过 C1转移电荷进行均衡，V1、V2分别下降、上升，直至均衡结束。而在开关电容网络均衡与分散式飞渡电容均衡电路中，均衡初期V3大于V2，电池B3也对B2转移了部分电荷，导致V3下降，但随后电池B4对B3进行了补充。随着均衡的进行，V2接近V3直至大于V3，B2对B3反向转移电荷，电池组电压最终趋于一致。在开关电容分层均衡电路中，由于V1+V2=V3+V4且V3=V4，电容C2、C3均无电荷通过。只有电容C1在B1、B2之间进行电荷转移，直到均衡结束。集中式均衡电路与开关电容分层均衡电路中电池组电压变化过程一致。

图6 均衡仿真过程电池组电压变化

本文在评价均衡电路的均衡效果时，以均衡时效和均衡能效作为两个重要的评价指标。当各电池电压值的标准差达到0.008（V）时，视均衡实现。电池组电压标准差σ定义如下：

上式中：n表示电池组串联电池单体数，Vi表示第i块电池电压，V表示电池组平均电压。电池组电压的标准差越小表示电池组电压一致性越好。图7给出了在不同电压分布情况下，当电池组电压标准差达到0.008（V）时，四种均衡电路对应的均衡时间。

图7 四种均衡电路对应不同电压分布的均衡时间

由图 7对比均衡时间可知：（1）开关电容网络均衡和分散式飞渡电容均衡电路的均衡时间几乎相同，但两者均衡时间相对较长且受电压分布情况影响较大。（2）集中式飞渡电容均衡电路和开关电容分层均衡电路的均衡时间相对较短且受电压分布情况影响很小。

根据各电压分布的概率情况，可得四种均衡电路均衡时间的期望，如表3所示。

表3 四种电路均衡时间及期望

对表3分析可知：开关电容分层均衡较集中式飞渡电容均衡又缩短了10%的均衡时间，这表明提出的开关电容分层均衡电路具有更快的均衡速度。值得注意的是，若进一步降低电池组电压标准差，该电路在均衡时间上的优势将更加明显。

对于电容式均衡电路而言，能耗低是其突出优点之一。本文根据电池组均衡前后各单体电压的差值，可得到均衡过程的能耗比。图8给出了图7中均衡过程中对应的能耗比。

如图8所示，在不同电压分布情况下，开关电容分层均衡电路的能耗比基本维持在 0.04%以下，具有较低的能耗比。

图8 四种均衡电路不同电压分布的均衡能耗

3 结论

本文提出了一种开关电容分层均衡方案。在结构上，具有集中式和分散式飞渡电容均衡电路的特点，为电荷的转移提供了更多的路径，能够较好的适应各种电压不一致分布情况。在功能上，该方案相对集中式均衡电路控制更为灵活，均衡时间更短且均衡能耗比很小，具有更好的均衡效果。为电容式均衡电路在串联电池组上的应用提供了新的方案。

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责任编辑：殷培峰

A Research on Capacitive Series Batteries BalancingCircuits

Tang Jie, Feng Nenglian, Chen Shengpeng, Shi Shengqi, Pan Yang

A solution with hierarchical structure of switched capacitor circuit to realize voltage balance between single cells was proposed for slower cell balancing speed of conventional capacitive balancing circuits when the number of single cells in series is high. The proposed circuit incorporated the advantages of both centralized and distributed loose capacitor circuits has many paths of charge exchange and better balancing efficiency. The comparison was made between the proposed circuit and conventional capacitive balancing circuits in the MATLAB/Simulink environment. Simulation results show that the balancing speed of the proposed circuit was improved for various distribution of battery voltage.

series-connected batteries; inequality; capacitive balancing circuit; balancing speed

TM912

A

1673-1794(2014)05-0055-05

汤 杰，安徽农业大学工学院车辆工程硕士研究生；通信作者：冯能莲，安徽农业大学工学院，北京工业大学环境与能源工程学院教授；陈升鹏，石胜奇，安徽农业大学（合肥 230036）；潘阳，北京工业大学（北京 100022）。

2014-02-23