冯能莲，陈龙科，汤　杰

(1.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京　100124；

2.安徽昊方机电股份有限公司，安徽 蚌埠　233010)



引用格式：冯能莲，陈龙科，汤杰.串联电池组电容式均衡系统研究[J].重庆理工大学学报(自然科学版)，2016(1):1-6.

Citation format：FENG Neng-lian, CHEN Long-ke, TANG Jie.Study on Capacitive Equalizing System for Series Battery [J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(1):1-6.

串联电池组电容式均衡系统研究

冯能莲1，陈龙科1，汤杰2

(1.北京工业大学 环境与能源工程学院，北京100124；

2.安徽昊方机电股份有限公司，安徽 蚌埠233010)

摘要：针对传统电容式均衡电路均衡速度较慢的问题，提出了具有两种环形拓扑结构的链式双层环形开关电容均衡电路，并建立其仿真模型。仿真分析了采用不同电压分布时的均衡效果，并与双层环形开关电容均衡电路和链式双层开关电容均衡电路进行了对比。结果表明：所提出的均衡电路在提高均衡速度的同时具有较低的能耗比。

关键词：串联电池组；电压均衡；开关电容

目前，电池已广泛用于消费类电子产品、电动汽车、工业储能等领域。无论是电动汽车或是大规模储能应用，串联成组是电池的主要使用方式之一，但所串联的单体电池的不一致性严重影响了电池组的有效容量、循环寿命、安全性和经济性，使电池组难以被充分利用。同时单体电池的一致性又是相对的，过分强调制造过程中的一致性或使用过程中环境的一致性，只能以提高动力系统成本为代价[1]。如何保证电池的安全、高效成组使用成为当前亟待解决的问题。电池均衡技术作为电池成组应用的关键技术之一，能够有效缓解制造过程和使用过程中产生的不一致性，提高电池组的整体性能。

1开关电容式均衡方法

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，直到其荷电状态达到平均值的均衡电路；二是非能量消耗型，指利用电容、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[2]。

均衡的目的之一是延长电池寿命以降低其使用成本，并尽可能缩短均衡所需时间[3]，因此，非消耗型均衡方式将是未来发展的方向。其中以电容作为储能元件的电容式均衡电路具有成本低、体积小、能量损耗低的优势[4-5]，且不依赖电压传感器，并且能够实现主动均衡。

电池B1～B4的开关电容网络均衡电路[6](见图1)由电容C1～C3及相应的开关组成。所有开关一致向上或向下闭合，使电容C1～C3与电池模块B1-B2-B3、B2-B3-B4交替并联连接工作，不断使电荷由高电压电池转移到低电压电池，最终实现电池组电压均衡。该均衡电路控制简单，但在高、低电压电池分隔较远时，相邻电池之间会存在一定的电压降导致均衡结果变差，均衡速度变慢。

基于开关电容均衡电路原理，新的均衡电路不断出现，主要包括双层开关电容均衡电路[12-14]、双层环形开关电容均衡电路[15]、单层环形开关电容均衡电路[16-17]、链式开关电容均衡电路[16-17]、链式双层开关电容均衡电路[18]，见图2～6。

图1　开关电容网络均衡电路 图2　双层开关电容均衡电路

图3　链式开关电容均衡电路 图4　单层环形开关电容均衡电路

图5　双层环形开关电容均衡电路 图6　链式双层开关电容均衡电路

双层开关电容均衡电路(见图2)由电容C1～C5及相应的开关组成。相对于图1的开关电容网络均衡电路，新增均衡电容C4和C5，使电荷转移途径增多，转移平均距离缩短，均衡电容电流减小。

链式开关电容均衡电路(见图3)由电容C1～C4及相应的开关组成。均衡电容C1～C4与电池模块B1-B2-B3-B4、B2-B3-B4-B1交替并联连接工作。由新增均衡电容C4构成的链式拓扑结构使串联电池组在均衡电路中首尾相连，电池组间电荷转移的平均距离减半。

单层环形开关电容均衡电路(见图4)由电容C1～C4及相应的开关组成。该均衡电路与双层开关电容均衡电路的工作原理相同，但新增由均衡电容C4构成的环形拓扑结构，同样使电池组间电荷转移的平均距离减半。

在链式开关电容均衡电路中，新增均衡电容C4只在端电池B1和B4之间进行电荷转移，工作电压与单体电池电压接近，均衡压差为电池B1、B4之间的压差；在单层环形开关电容均衡电路中，新增均衡电容C4是在电池模块B1-B2-B3和B2-B3-B4之间进行电荷转移，工作电压接近所均衡的电池组电压，均衡压差为电池组B1-B2-B3和B2-B3-B4之间的压差。由于在一个均衡周期内电池B2和B3电压无明显变化，电池组B1-B2-B3和B2-B3-B4之间的压差可视为电池B1和B4之间的压差，因此这两种均衡电路的均衡效果基本一样。

双层环形开关电容均衡电路(见图5)由电容C1～C6及相应的开关组成。该均衡电路兼有双层开关电容均衡电路和单层环形开关电容均衡电路的结构特点。新增均衡电容C6使电荷转移途径更多、平均距离更短、均衡电容电流更小。

链式双层开关电容均衡电路(见图6)由电容C1～C6及相应的开关组成。该电路兼有链式开关电容均衡电路和双层开关电容均衡电路的结构特点。新增均衡电容C4构成的链式拓扑结构使电池组在均衡电路中首尾相连，电池组间电荷转移的平均距离在双层开关电容均衡电路基础上减半，有效地缩短了均衡时间。

2链式双层环形开关电容均衡电路及其工作原理

在系统分析传统电容式均衡电路的基础上，提出链式双层环形开关电容均衡电路，如图7(a)所示。该均衡电路由电容C1～C7及相应的开关组成，兼有双层开关电容均衡电路、链式开关电容均衡电路和单层环形开关电容均衡电路的结构特点。

该均衡电路的控制方法与传统的开关电容网络均衡电路相同，有2个工作状态，如图7(b)和(c)所示。

图7　链式双层环形开关电容均衡电路

工作状态1如图7(b)所示，所有开关向上闭合，电容C1～C7的电压分别为VC1～VC7，满足下列条件：

(1)

式中VB1～VB4分别为电池B1～B4的电压。

工作状态2如图7(c)所示，所有开关向下闭合，电容C1～C7的电压满足下列条件：

(2)

在上述两种工作状态交替运行下，所有电池电压逐渐趋于一致，最终实现电池组电压均衡。

3仿真结果与分析

3.1仿真条件

在Matlab/Simulink中，以4块单体电池串联为例，建立双层环形开关电容均衡电路、链式双层开关电容均衡电路和链式双层环形开关电容均衡电路模型，并进行仿真试验。

为缩短仿真时间，在均衡电路仿真模型中，单体电池用电容与等效电阻串联代替，双向开关由2个MOSFET模块组成(如图8所示)。仿真电路参数设置如表1所示。

表2中V1～V4分别表示电池B1～B4的电压，并给出了电池组初始电压的2种分布情况：

1) 电池B1电压最高，其余电池电压相等；

2) 电池B2电压最高，其余电池电压相等。

均衡电路为对称结构，上述2种情况涵盖了电池组最高电压电池分布的所有情况。

图8　双向开关

转换频率F/kHz占空比D开关导通内阻Rsw/mΩ100.55转换频率Cb/F电池内阻Rb/mΩ均衡电容及其内阻C/mFRc/mΩ100.10.15/20/35

表2　电池组初始电压分布　V

3.2均衡过程分析

图9给出了在2种电压分布情况下，双层环形开关电容均衡电路、链式双层开关电容均衡电路和链式双层环形开关电容均衡电路均衡电池组电压变化的过程。

第1种情况如图9(a1)、(b1)、(c1)所示，在双层环形开关电容均衡电路和链式双层开关电容均衡电路中，电池B1中的电荷可同时向电池B2、B3、B4转移，并且均衡压差相等。因此，电池B2、B3、B4的电压上升速度相同。在链式双层环形开关电容均衡电路中，电池B1中的电荷可向电池B2、B3、B4转移，同时由均衡电容C4构成的链式拓扑结构从电池B1向电池B4转移电荷，并且均衡压差均相等。因此，电池B4的电压上升最快，而电池B2和B3的电压上升相对较慢，但二者电压上升速度相同。

第2种情况如图9(a2)、(b2)、(c2)所示，在3种均衡电路中，电池B2中的电荷均可同时向电池B1、B3、B4转移，并且均衡压差均相等；而在链式双层环形开关电容均衡电路中，电池B1、B4电压相等，由均衡电容C4构成的链式拓扑结构无法从电池B1向电池B4转移电荷。因此，电池B1、B3、B4的电压上升速度相同。

图9　在2种电压分布情况下不同电路均衡电池组电压变化过程

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2个重要的评价指标。当各电池电压值的标准差达到0.002 V 时视为均衡实现。电池组电压标准差σ定义如下：

(3)

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σ越小，表示电池组电压一致性越好。图10给出了在2种电压分布情况下，当电池组电压标准差达到0.002V时3种均衡电路对应的均衡时间。

图10　均衡时间比较

在第1种电压分布情况下，双层环形开关电容均衡电路、链式双层开关电容均衡电路和链式双层环形开关电容均衡电路分别耗时7.52，7.68，6.48 s；在第2种电压分布情况下，分别耗时7.53，7.67，7.67 s。对比均衡时间可知：

1) 在2种电压分布情况下，双层环形开关电容均衡电路和链式双层开关电容均衡电路均衡时间基本相同，而双层环形开关电容均衡电路均衡时间稍短。同时验证了本文对链式开关电容电路和单层环形开关电容电路的分析结果，即链式拓扑结构与环形拓扑结构在均衡效果上基本相同。

2) 在第1种电压分布情况下，链式双层环形开关电容均衡电路均衡时间缩短约16%，同时证明了链式拓扑结构在均衡电路中起到的作用。而在第2种电压分布情况下，链式双层环形开关电容均衡电路的均衡时间与链式双层开关电容均衡电路相同，但比双层环形开关电容均衡电路的均衡时间稍长。这一点也证明了本文对链式双层环形开关电容电路的分析结果，即在两端电池电压相等时，由均衡电容C4构成的链式拓扑结构无法从电池B1向电池B4转移电荷。

对于电容式均衡电路而言，能耗低是其突出优点之一。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11给出了3种电路均衡过程中对应的能耗比。在不同电压分布情况下，各均衡电路的能耗比基本维持在0.02%左右。

图11　均衡能耗比仿真结果

4结束语

在分析已有电容式均衡电路结构的本质区别与联系的基础上，提出了一种链式双层环形开关电容均衡电路，并通过仿真验证了该均衡电路的特点。

链式双层环形开关电容均衡电路具有双层开关电容均衡电路、链式开关电容均衡电路和单层环形开关电容均衡电路结构的综合特点，为电荷的转移提供了更多的途径，能够较好地适应各种电压分布不一致的情况，均衡时间更短且均衡能耗比较小，具有较好的均衡效果。

链式双层环形开关电容均衡电路突出的结构特点使均衡控制策略的制定更为灵活，为均衡系统分层设计提供了新的方案，可提高整个均衡系统的综合性能，具有很好的理论意义和实用价值。

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(责任编辑刘舸)

Study on Capacitive Equalizing System for Series Battery

FENG Neng-lian1, CHEN Long-ke1, TANG Jie2

(1.College of Environmental and Energy Engineering,

Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2.Anhui Haofang Mechanical and Electrical Stock Company Limited, Bengbu 233010,China)

Abstract:A system with double-chain structure of double-tired switched capacitor was proposed for the slow cell balancing speed of conventional capacitive cell balancing circuits and the simulating models was built. This model took a simulation analysis on the balance performance of systems under different voltage distribution. In addition, this model was compared with annular double-tiered switching capacitor balancing system as well as double-tiered switching capacitor balancing system. The result shows that the system proposed is feasible and has low energy consumption ratio while balancing speed is improved.

Key words:series battery; voltage balance; switched capacitor

文章编号：1674-8425(2016)01-0001-06

中图分类号：TM912

文献标识码：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.01.001

作者简介：冯能莲(1962—),男,安徽宣城人,教授，主要从事新能源汽车、智能车辆、汽车电子方面的研究。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075010)；北京市教育委员会重点项目(KZ200 910005007)

收稿日期：2015-11-25