电压控制Buck-Boost电池充电均衡器

2015-12-24谢莉，蒋伟

蓄电池 2015年1期

谢莉，蒋伟

（扬州大学水利与能源动力工程学院，江苏扬州 225127）

0 引言

随着能源紧缺和环境污染现状越来越严重，减少从能源生产到消费各个环节中的损失和浪费，更加有效、合理地利用能源已成为一项重要的国策。而电池生产厂商在对电池进行充放电测试时需要耗费相当多的电能，为了节省厂商在这方面的生产成本，也为了节约能源，电池之间互相充放电的装置已经成为众多公司和研究机构的技术开发重点[1-3]。

本文以蓄电池为研究对象，研究了储能设备的均衡充电方法。采用电压控制的均衡方案，通过电压环补偿电池的端电压，电流内环实现电荷移动。仿真和实验结果表明，提出的均衡器能提供电荷最快移动并能有效地收敛到零电压差。

1 电池模型

电池种类多种多样，但所有电池都可以用通用模型来表示[4]。通过测量电池内部的集中参数，可以获得电池的剩余电量（SOC）等相关信息。如图1所示，电池通用模型由电池内电动势串联内阻Rh+Rd以及主导电池动态特性的电容Cp组成。在本模型中，将采用简单化的建模方式，即不考虑温度和电流内阻等的影响。

图1 电池通用模型

根据电池的通用模型通过 PSIM 建立其等效仿真模型，如图2所示。电池的集中参数Rh、Rd和Cp可由对应的电路元件代替，电池用一个受控电压模型，通过电流积分得到电荷的变换量，经过查表反馈给受控电压源反应电池的电压变化。

图2 电池仿真模型

2 垂直 Buck-Boost 均衡器

2.1 垂直 Buck-Boost 均衡器拓扑

蓄电池主要有充电和放电两种过程，其中既有化学反应，也有电化学反应。鉴于蓄电池的充放电特性，采用恒流、恒压和浮充三个阶段进行充电。当蓄电池亏电时，首先采用恒流方式充电，达到限压值时转入恒压方式进行补充充电，充电电流降低至浮充电流时，装置自动进入浮充阶段，此阶段为低电压小电流，以补充电池的自然放电。放电时采用恒流方式，放电电流采用 0.1 倍率制，当端电压小于设定值时，自动停止放电。

考虑到系统的可靠性与成本，本设计中采用有源均衡电路，如图3所示。电路由电池 C1和 C2，一个电感 L，两个 MOS 管 S1及 S2组成。分别通过驱动触发两个 MOS 管 S1和 S2，对电感 L 进行充电，再通过电感对电压较低的电池进行充电，从而实现两个电池间的充放电[5-8]。

图3 垂直 Buck-Boost 均衡变换器

4 组电池平衡系统的应用如图4所示。由图4可知，为了平衡 4 组电池，需要 6 个开关和 3 个电感。那么，一个n组电池平衡系统需要 2(n-1) 个开关和（n-1）个电感。通过控制各电感电流，可实现各电池间的相互充放电，直至电压均衡。

图4 电池充放电均衡系统拓扑结构

2.2 垂直 Buck-Boost 均衡器建模

通过分解，对只有两组电池组成的均衡系统开关状态进行分析，如图5和图6所示。该电路存在两种状态：一是 S1导通，S2截止；二是 S2导通，S1截止。用V1表示 C1两端的电压，V2表示 C2两端的电压，且参考方向均为上正下负，电感 L 两端的电压参考方向为左正右负。当 S1导通，S2截止时，其等效电路如图5所示。

此时，电池 C1、内阻 r1、S1导通电阻 ron、电感电阻 rL、以及电感 L 形成一闭合回路，给电池 C1进行充电。利用电路的 KCL、KVL 公式可知：

图5 S1 导通，S2 截止时等效电路

当 S2导通，S1截止时，其等效电路如图6所示：

图6 S2 导通，S1 截止时等效电路

此时，电池 C2、内阻 r2、电感 L 以及 S2导通电阻 ron形成一闭合回路，给电感进行充电。利用电路的 KCL、KVL 公式可知：

将公式（1）、（2）进行线性平均化处理及拉斯变换，不难求出系统的电流环控制对象为占空比对电感电流的传递函数如下：

3 基于电压的平衡控制系统设计

3.1 电流环设计

为了实现电荷移动，首先必须设计电流环。如表1所示为三种不同的负载条件，用 Matlab 对三种负载条件进行仿真，得到经过补偿后的 PI 控制波特图[9-10]，如图7所示。

表1 电池负载状态

图7 Matlab 仿真波形

由图7可以看出，虽然电池负载不同，但第三种情况波特图中的频率特性基本一致。经过补偿后的穿越频率为 23 kHz，相位裕度为 45°，满足控制要求。

3.2 均衡充电电压回路设计

电压平衡控制系统框图如图8所示，其中，Cv(s) 和Ci(s) 分别为电压和电流控制器传递函数，G1(s) 为电流环控制对象，G2(s) 为电流对电压的传递函数，H(s) 是传感器反馈网络的传递函数。

图8 闭环控制框图

在电压外环中，以电池电压差作为变量加以控制，电压控制器产生电流内环的双向电流参考值。电流控制器的输出产生开关 S1的占空比的值。

电流反馈网络采用开环霍尔传感器 ACS714 加低通滤波器，可以求得反馈网络的传递函数为：

利用 PSIM 对电压均衡控制模式进行仿真，电池初始电压随机设置为 12 V、14 V 和 15 V。仿真结果如图9所示，电流环提供最大充电电流，当电压差变小，电压控制器的输出电流减小，最后收敛到零。

图9 均衡充电仿真波形

4 实验结果与分析

电池充放电模块测试如图10 所示。其中，各系统组件分别为：A.辅助电源；B.散热风扇；C.DSP控制器；D.垂直 Buck-Boost 变换器；E.电流探头；F.电池连接接口。均衡器样机参数如表2所示。

图10 均衡器样机

表2 均衡器样机参数表

均衡器中控制模块采用数字信号控制器dsPIC33FJ64GS606 作为底层的电流控制器。该器件外设带有丰富的 PWM 外设，利用边沿对齐互补的 PWM 模式，生成两路 100 kHz 的 PWM。控制器的 AD 外设以 10 kHz 的采样率 10 位精度进行两路电流和电压采样并与给定参考值比较；最后将控制器以零阶保持的方式进行双线性变换进行离散化，可以实现连续控制系统的数字化。均衡器两种工作状态测得的电感电流波形如图11 所示。从电感电流来看，本论文设计的垂直 Buck-Boost 均衡装置实现了预期的功能。