串联电池组电感电容储能主动均衡方法
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storage, verifying the characteristics of the balancing speed and efficiency of the new method, and the
cost advantage of the novel topology was analyzed. Finally, a series battery pack composed of four cells
离,但绕组变压器的设计比较复杂,且电池组单体数
量变化,绕组变压器需要重新设计。
综合电感储能均衡精度高、电压差异较大时电
容储能均衡速度快的特点,基于电感电容( Inductorcapacitor, LC) 储能的拓扑近年来得到了更多的关
注。 文献[15] 提出三种基于 LC 储能的单开关升降
压电路均衡拓扑,开关管数量较少,但其三个拓扑每
第 27 卷 第 5 期
2023 年 5 月
电 机 与 控 制 学 报
Electri c Machines and Control
Vol. 27 No. 5
May 2023
串联电池组电感电容储能主动均衡方法
郭向伟, 吴齐, 邢程, 谢东垒, 朱军
for series battery pack
GUO Xiangwei, WU Qi, XING Cheng, XIE Donglei, ZHU Jun
( School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
收稿日期: 2021 - 09 - 19
基金项目:国家自然科学基金(52177039) ;河南省科技攻关项目(232102240078) ;河南省高校基本科研业务费青年探索项目( NSFRF210332) ;
谢东垒(1980—) ,男,副教授,研究方向为新能源发电技术;
朱 军(1984—) ,男,博士,副教授,研究方向为电路系统设计及优化。
河南省高等学校重点科研项目(23A470006)
作者简介:郭向伟(1987—) ,男,博士,副教授,研究方向为电力电子技术、新能源汽车能量管理系统;
吴 齐(1999—) ,男,硕士研究生,研究方向为新能源汽车电池管理系统;
邢 程(1997—) ,男,硕士研究生,研究方向为新能源汽车电池管理系统;
通信作者:郭向伟
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
第5 期
郭向伟等:串联电池组电感电容储能主动均衡方法
129
联电路实现低电量单体的充电均衡。 具有拓扑结构
0 引 言
简单、成本低等特点,适用于新能源汽车动力电池组
动力电池成组后各单体间不可避免的不一致性
会降低电池组的能量利用率,缩短其循环寿命,甚至
体 间 均 可 进 行 均 衡 能 量 的 直 接 转 移, 但 相 比 文
控制任何开关管。 断开 MOS 管 S3 、S4 时刻,电感与
要更多组的控制信号。 文献[19] 和文献[18] 均衡
流如图 2( b) 中回路②所示。 电感电流下降至零时,
献[17] ,开关管数量更多,拓扑成本有所增加,且需
能拓扑 [6 - 8] 均衡电流可控性强,均衡精度与均衡效
率高,但其所需开关管或电感往往较多。 电容储能
拓扑 [9 - 10] 均衡速度快,均衡效率高,但当电容电压
与均衡目标电压差异不大时,均衡速度下降显著,进
而导致电容均衡不适合高精度的均衡。 基于变压器
的拓扑 [11 - 14] 均衡效率高,且容易实现有效的电气隔
MOS 管 S0 、S9 的续流二极管构成放电回路,均衡电
一个开关周期的均衡过程完成。
对最低电压单体充电均衡过程中,MOS 管 S R1 、
S R2 保持导通。 设单体 B3 电压最低,一个开关周期的
均衡过程同样分成两个阶段。 第一阶段是电池组对
LC 串联电路充电。 初始时刻通过 LC 串联电路的
电流为零,此时控制 MOS 管 S0 、S9 导通,电池组向
was taken as an example. Effectiveness of the new balancing method for the charging process, discharging
process and dynamic process of the battery pack is verified by building an experimental platform.
DOI:10. 15938 / j. emc. 2023. 05. 014
中图分类号:TM912;TH39
文献标志码:A
文章编号:1007- 449X(2023)05- 0128- 10
Active balancing method with inductor-capacitor energy storage
Secondly, the control strategy was established compatible with the topology. Thirdly, the simulation mod-
els was built, the method was compared and analyzed based on the same inductor and capacitor energy
个单体配置一个 LC 储能单元,不利于缩小系统体
积,降低拓扑成本。 文献[16] 利用两个电感和一个
电容设计均衡拓扑,仅能实现高电量单体的放电均
衡,无法实现低电量单体的充电均衡。 文献[17] 拓
扑使用二极管数量较少,但每个单体必须配置一个
电容、一个电感和两个开关管,所需储能器件数量较
多,且仅能实现相邻单体的能量转移。 文献[18] 拓
( 河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454000)
摘 要:提出一种基于电感电容储能的串联电池组主动均衡方法,利用一个电感实现高电量单体的
放电均衡,一个电感电容串联电路实现低电量单体的充电均衡,均衡能量可以在任意单体和电池组
间转移。 首先阐述新型均衡方法的拓扑结构、均衡原理及参数设计过程,建立与拓扑结构相适应的
当第 一 阶 段 LC 串 联 电 路 电 流 降 为 零 之 后, 导 通
MOS 管 S4 、S7 ,LC 串联电路向低电量单体充电,LC
串联电路电流反向增加,均衡电流如图 3( b) 中回路
②所示。 达到设定值时, 断开 MOS 管 S4 、 S7 , 此时
LC 串联电路与 MOS 管 S0 、S9 续流二极管构成回路,
造成安全事故。 为改善电池组的不一致性,必须引
入有效的均衡方法 [1 - 2] 。 串联电池组相比于并联电
池组,可靠性更容易受到不一致性的影响
针对串联电池组的均衡展开研究。
[3]
,本文
均衡系统或配电网储能系统。
1 均衡拓扑结构及均衡原理
1. 1 拓扑结构
新型均衡方法拓扑结构如图 1 所示。
高效拓扑结构是均衡研究的重点 [4 - 5] 。 电感储
扑使用一个电感和一个电容作为储能单元,任意单
图 1 均衡拓扑结构
Fig. 1 Balancing topology diagram
1. 2 均衡工作原理
以四节单体构成的串联电池组为例,以端电压
作为不一致性指标 [2 - 19] 。 最高电压单体放电均衡
过程,MOS 管 S L 保持导通,设 B2 电压最高,一个开
Abstract:An active balancing method for series battery pack based on inductor-capacitor energy storage
was proposed, in which an inductor was used to achieve the discharge balancing of high-power cells, and
原理类似,但其相比文献[18] ,需要多用四个开关
管。 文献[20 - 21] 利用软开关技术,使得储能单元
充放电回路的切换在均衡电流为零时进行,减小了
开关管的损耗,但其控制过程过于复杂,每个开关管
都需要精确计算占空比,而均衡过程是一个多因素
相互耦合的动态过程,且均衡对象不一致性具有较
强的随机性,导致其抗干扰能力较差,且对控制器的
an inductor-capacitor series circuit was used to achieve the charge balancing of low-power cells. Firstly,
the topological structure, balancing principle and parameter design of the new method was explained.
LC 串联电路充电,均衡电流如图 3 ( a) 开 MOS 管 S0 、S9 ,
组主动均衡方法,均衡储能器件需要两个电感和一
回路,电流开始下降,电流下降过程电容电压持续增
综上分析,提出一种基于 LC 储能的串联电池
个电容。 单电感实现高电量单体的放电均衡,LC 串
控制策略;通过搭建仿真模型,与同样基于电感电容储能的均衡方法进行对比分析,验证新型均衡
方法均衡速度及均衡效率的特点,并分析新型均衡方法拓扑结构较为显著的成本优势;最后以四单
体构成的串联电池组为例,通过搭建实验平台验证了电池组充电过程、放电过程及动态过程新型均
衡方法的有效性。
关键词:串联电池组;不一致性;主动均衡;电感电容储能;仿真模型;实验平台
提高;由于单体电池与电池组电压差异较大,一个开
关周期内可以尽可能地提高高电量单体放电控制信
号占空比,进而提高均衡速度。
图 2 最高电压单体放电均衡原理
Fig. 2 Schematic of the highest voltage cell discharge
balancing
3) 利用 LC 串联电路对 低 电 量 单 体 充 电 均 衡
此时 LC 串联电路与 MOS 管 S1 、S8 续流二极管构成
加,当 LC 串联电路电流降为零时,第一阶段结束。
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电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷
第二阶段是 LC 串联电路为低电压单体充电。
电流开始下降,下降为零时,一个开关周期的能量转
移过程完成。
新型主动均衡方法和前述同样基于 LC 储能的
均衡方法相比,特点在于:
1) 储能器件只需要两个电感和一个电容,且每
个单体近似需要配置两个开关管和两个二极管,结
构简单、成本低。
2) 利用电感对高电量单体放电均衡时:电感放
电过程不需要控制任何开关管,有利于均衡效率的
关周期的均衡过程分为两个阶段。 第一阶段高电量
单体 对 电 感 充 电, 初 始 时 刻 电 感 电 流 为 零, 控 制
MOS 管 S3 、S4 导通,电感电流逐渐增加,当均衡电流
达到设定值时,断开 MOS 管 S3 、S4 ,第一阶段结束,
此阶段均衡电流如图 2( a) 中回路①所示。
第二阶段是电感对电池组放电,此阶段不需要
Keywords:series battery pack; inconsistency; active balancing; inductor-capacitor energy storage; simulation models; experimental platform
cost advantage of the novel topology was analyzed. Finally, a series battery pack composed of four cells
离,但绕组变压器的设计比较复杂,且电池组单体数
量变化,绕组变压器需要重新设计。
综合电感储能均衡精度高、电压差异较大时电
容储能均衡速度快的特点,基于电感电容( Inductorcapacitor, LC) 储能的拓扑近年来得到了更多的关
注。 文献[15] 提出三种基于 LC 储能的单开关升降
压电路均衡拓扑,开关管数量较少,但其三个拓扑每
第 27 卷 第 5 期
2023 年 5 月
电 机 与 控 制 学 报
Electri c Machines and Control
Vol. 27 No. 5
May 2023
串联电池组电感电容储能主动均衡方法
郭向伟, 吴齐, 邢程, 谢东垒, 朱军
for series battery pack
GUO Xiangwei, WU Qi, XING Cheng, XIE Donglei, ZHU Jun
( School of Electrical Engineering and Automation, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China)
收稿日期: 2021 - 09 - 19
基金项目:国家自然科学基金(52177039) ;河南省科技攻关项目(232102240078) ;河南省高校基本科研业务费青年探索项目( NSFRF210332) ;
谢东垒(1980—) ,男,副教授,研究方向为新能源发电技术;
朱 军(1984—) ,男,博士,副教授,研究方向为电路系统设计及优化。
河南省高等学校重点科研项目(23A470006)
作者简介:郭向伟(1987—) ,男,博士,副教授,研究方向为电力电子技术、新能源汽车能量管理系统;
吴 齐(1999—) ,男,硕士研究生,研究方向为新能源汽车电池管理系统;
邢 程(1997—) ,男,硕士研究生,研究方向为新能源汽车电池管理系统;
通信作者:郭向伟
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第5 期
郭向伟等:串联电池组电感电容储能主动均衡方法
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联电路实现低电量单体的充电均衡。 具有拓扑结构
0 引 言
简单、成本低等特点,适用于新能源汽车动力电池组
动力电池成组后各单体间不可避免的不一致性
会降低电池组的能量利用率,缩短其循环寿命,甚至
体 间 均 可 进 行 均 衡 能 量 的 直 接 转 移, 但 相 比 文
控制任何开关管。 断开 MOS 管 S3 、S4 时刻,电感与
要更多组的控制信号。 文献[19] 和文献[18] 均衡
流如图 2( b) 中回路②所示。 电感电流下降至零时,
献[17] ,开关管数量更多,拓扑成本有所增加,且需
能拓扑 [6 - 8] 均衡电流可控性强,均衡精度与均衡效
率高,但其所需开关管或电感往往较多。 电容储能
拓扑 [9 - 10] 均衡速度快,均衡效率高,但当电容电压
与均衡目标电压差异不大时,均衡速度下降显著,进
而导致电容均衡不适合高精度的均衡。 基于变压器
的拓扑 [11 - 14] 均衡效率高,且容易实现有效的电气隔
MOS 管 S0 、S9 的续流二极管构成放电回路,均衡电
一个开关周期的均衡过程完成。
对最低电压单体充电均衡过程中,MOS 管 S R1 、
S R2 保持导通。 设单体 B3 电压最低,一个开关周期的
均衡过程同样分成两个阶段。 第一阶段是电池组对
LC 串联电路充电。 初始时刻通过 LC 串联电路的
电流为零,此时控制 MOS 管 S0 、S9 导通,电池组向
was taken as an example. Effectiveness of the new balancing method for the charging process, discharging
process and dynamic process of the battery pack is verified by building an experimental platform.
DOI:10. 15938 / j. emc. 2023. 05. 014
中图分类号:TM912;TH39
文献标志码:A
文章编号:1007- 449X(2023)05- 0128- 10
Active balancing method with inductor-capacitor energy storage
Secondly, the control strategy was established compatible with the topology. Thirdly, the simulation mod-
els was built, the method was compared and analyzed based on the same inductor and capacitor energy
个单体配置一个 LC 储能单元,不利于缩小系统体
积,降低拓扑成本。 文献[16] 利用两个电感和一个
电容设计均衡拓扑,仅能实现高电量单体的放电均
衡,无法实现低电量单体的充电均衡。 文献[17] 拓
扑使用二极管数量较少,但每个单体必须配置一个
电容、一个电感和两个开关管,所需储能器件数量较
多,且仅能实现相邻单体的能量转移。 文献[18] 拓
( 河南理工大学 电气工程与自动化学院,河南 焦作 454000)
摘 要:提出一种基于电感电容储能的串联电池组主动均衡方法,利用一个电感实现高电量单体的
放电均衡,一个电感电容串联电路实现低电量单体的充电均衡,均衡能量可以在任意单体和电池组
间转移。 首先阐述新型均衡方法的拓扑结构、均衡原理及参数设计过程,建立与拓扑结构相适应的
当第 一 阶 段 LC 串 联 电 路 电 流 降 为 零 之 后, 导 通
MOS 管 S4 、S7 ,LC 串联电路向低电量单体充电,LC
串联电路电流反向增加,均衡电流如图 3( b) 中回路
②所示。 达到设定值时, 断开 MOS 管 S4 、 S7 , 此时
LC 串联电路与 MOS 管 S0 、S9 续流二极管构成回路,
造成安全事故。 为改善电池组的不一致性,必须引
入有效的均衡方法 [1 - 2] 。 串联电池组相比于并联电
池组,可靠性更容易受到不一致性的影响
针对串联电池组的均衡展开研究。
[3]
,本文
均衡系统或配电网储能系统。
1 均衡拓扑结构及均衡原理
1. 1 拓扑结构
新型均衡方法拓扑结构如图 1 所示。
高效拓扑结构是均衡研究的重点 [4 - 5] 。 电感储
扑使用一个电感和一个电容作为储能单元,任意单
图 1 均衡拓扑结构
Fig. 1 Balancing topology diagram
1. 2 均衡工作原理
以四节单体构成的串联电池组为例,以端电压
作为不一致性指标 [2 - 19] 。 最高电压单体放电均衡
过程,MOS 管 S L 保持导通,设 B2 电压最高,一个开
Abstract:An active balancing method for series battery pack based on inductor-capacitor energy storage
was proposed, in which an inductor was used to achieve the discharge balancing of high-power cells, and
原理类似,但其相比文献[18] ,需要多用四个开关
管。 文献[20 - 21] 利用软开关技术,使得储能单元
充放电回路的切换在均衡电流为零时进行,减小了
开关管的损耗,但其控制过程过于复杂,每个开关管
都需要精确计算占空比,而均衡过程是一个多因素
相互耦合的动态过程,且均衡对象不一致性具有较
强的随机性,导致其抗干扰能力较差,且对控制器的
an inductor-capacitor series circuit was used to achieve the charge balancing of low-power cells. Firstly,
the topological structure, balancing principle and parameter design of the new method was explained.
LC 串联电路充电,均衡电流如图 3 ( a) 开 MOS 管 S0 、S9 ,
组主动均衡方法,均衡储能器件需要两个电感和一
回路,电流开始下降,电流下降过程电容电压持续增
综上分析,提出一种基于 LC 储能的串联电池
个电容。 单电感实现高电量单体的放电均衡,LC 串
控制策略;通过搭建仿真模型,与同样基于电感电容储能的均衡方法进行对比分析,验证新型均衡
方法均衡速度及均衡效率的特点,并分析新型均衡方法拓扑结构较为显著的成本优势;最后以四单
体构成的串联电池组为例,通过搭建实验平台验证了电池组充电过程、放电过程及动态过程新型均
衡方法的有效性。
关键词:串联电池组;不一致性;主动均衡;电感电容储能;仿真模型;实验平台
提高;由于单体电池与电池组电压差异较大,一个开
关周期内可以尽可能地提高高电量单体放电控制信
号占空比,进而提高均衡速度。
图 2 最高电压单体放电均衡原理
Fig. 2 Schematic of the highest voltage cell discharge
balancing
3) 利用 LC 串联电路对 低 电 量 单 体 充 电 均 衡
此时 LC 串联电路与 MOS 管 S1 、S8 续流二极管构成
加,当 LC 串联电路电流降为零时,第一阶段结束。
Copyright©博看网. All Rights Reserved.
130
电 机 与 控 制 学 报 第 27 卷
第二阶段是 LC 串联电路为低电压单体充电。
电流开始下降,下降为零时,一个开关周期的能量转
移过程完成。
新型主动均衡方法和前述同样基于 LC 储能的
均衡方法相比,特点在于:
1) 储能器件只需要两个电感和一个电容,且每
个单体近似需要配置两个开关管和两个二极管,结
构简单、成本低。
2) 利用电感对高电量单体放电均衡时:电感放
电过程不需要控制任何开关管,有利于均衡效率的
关周期的均衡过程分为两个阶段。 第一阶段高电量
单体 对 电 感 充 电, 初 始 时 刻 电 感 电 流 为 零, 控 制
MOS 管 S3 、S4 导通,电感电流逐渐增加,当均衡电流
达到设定值时,断开 MOS 管 S3 、S4 ,第一阶段结束,
此阶段均衡电流如图 2( a) 中回路①所示。
第二阶段是电感对电池组放电,此阶段不需要
Keywords:series battery pack; inconsistency; active balancing; inductor-capacitor energy storage; simulation models; experimental platform