并联电池组防互充拓扑电路的节能研究

海 涛，范攀龙，杨嘉芃，黄光日，李梓珲

（1.广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004；
2.南宁学院 智能制造学院，广西 南宁 530299；
3.广西大藤峡水利枢纽开发责任有限公司，广西 贵港 537000）

储能电池的使用能有效提高间歇性电能品质。“双碳”目标的提出将会促进可再生能源的发展。太阳能、风能等可再生能源具有间歇性的特点，要实现其连续供电，通过电池进行电能的存储与使用尤为重要。蓄电池很少单独使用，大都是以电池组的形式使用，通过单体电池的串、并联提高电池组的储能容量。但即使是同型号、同批次的电池也会存在电压、内阻、容量上的差异，即单体电池的不一致性是造成电池组使用寿命低于单体电池的主要原因，而电池的不一致性也是目前无法消除的缺陷。电池组并联工作时，单体电池之间由于不一致性而进行频繁地相互充电，会造成能量浪费及电池过热而损坏电池。对此有研究人员提出了一些解决措施，通过串联二极管避免单体电池间的互相充放电，但二极管工作的同时也会造成多余电能的损耗。

本文对传统防互充拓扑电路（简称传统拓扑电路）的工作原理进行了描述，设计了一种新型防互充拓扑电路（简称新型拓扑电路）结构，在实现传统拓扑电路功能的基础上，消除二极管的损耗。该新型防互充拓扑电路采用继电器与二极管并联，通过判断电流状态，控制继电器消除二极管损耗，同时实现防互充的功能。仿真实验的结果证明该新型拓扑电路具有可行性。

根据电池的特性对电池进行建模分析。常见单体电池的模型有等效电路模型、电化学模型等，其中以等效电路模型应用最为广泛。等效电路模型有Thevenin 模型、PNGⅤ模型、Rint 模型、Rc 模型等。其中，Thevenin 模型根据电池内部的性质进行搭建，能够很好地模拟电池的内部特性。为了更清晰地展示不同拓扑电路对电池储能所产生的影响，采用该模型进行仿真。图1所示为Thevenin单体电池模型。

图1 Thevenin单体电池模型

其内部参数含义如下：为电池的开路电压；
为电池内阻；
为极化电容；
为极化电阻；
为输出电流；
为极化电容两端电压；
为输出电压。

通过Thevenin单体电池模型可知，电池在工作时内阻损耗不可避免。由于每块电池的内阻、极化电阻、极化电容难以统一，导致每块电池在使用时输出电压（）不一致，造成并联电池组的单体电池间频繁相互充放电现象的发生，降低电池组的平均使用寿命；
因此，需要采用必要的拓扑电路结构来消除这一缺陷，以提高电池组的工作效率。

2.1 传统防互充电池组拓扑电路

传统拓扑电路是利用二极管单向导通特性来实现的。将二极管串联到电池组的每一个单体电池支路中，阻断不同单体电池间由高电压向低电压电池充电时的反向电流。传统拓扑电路如图2所示。为了便于分析与模拟验证，选择3个单体电池并联组成电池组进行模型搭建与分析。如图2 所示，D、D、D为单向导通二极管，二极管的导通管压降记为；
S为干路上的主开关，控制电池组与负载之间的导通与关断；
为模拟负载，流过的电流为，其两端的负载电压记为。

图2 传统防互充电池组拓扑电路

通过该拓扑电路可以有效避免并联电池组之间相互充放电的现象，但是该电路也存在一些缺陷，即二极管的导通管压降（）会产生很大的损耗，从而降低电池组工作效率。此外，二极管在产生损耗的同时一定伴随着热量的产生，而电池组过热则是导致蓄电池出现事故最多的原因，所以需要更加高效、安全的拓扑电路来取代传统的防互充拓扑电路。

此时负载端的输出电压为各个支路中电压的最大值，如式（3）所示。

同理可得，当并联电池个数为时，其输出电压表达式如式（4）所示。

在这种情况下，电池组的输出功率如式（5）所示。

2.2 新型防互充电池组拓扑电路

在传统拓扑电路的基础上进行改进得到新型拓扑电路，如图3所示。

图3 新型防互充电池组拓扑电路

新型拓扑电路的工作原理：通过各支路串联电流传感器（current transformer，CT，记为CT、CT、CT）获取各个支路电流、、，由电流信号状态控制每一个与二级管并联的继电器常开点，如图3中的K、K、K。在电池放电时，电流通过继电器开关流通可以消除二极管上的损耗。在继电器损坏时，二极管也可以实现防互充的作用，但伴有较大的二极管损耗。继电器状态与电流关系如表1 所示，沿电池放电方向的电流状态为1，无电流为0，反向电流为-1。电流传感器检测某路电流记为I，支路额定电流I，k为电流实时状态。

表1 继电器状态与电流关系

在干路串联继电器开关K，其状态由电池组输出电压（）控制，以此达到对电池组电压实时检测的效果，实现电路欠压、过压保护的功能，避免因过充、过放对电池组造成的损害。该新型防互充电池组拓扑电路的放电控制过程如图4所示。在电池组欠压时，通过控制继电器开关统一闭合，由外接电源对电池组进行充电。

图4 新型防互充电池组拓扑电路控制流程图

该新型拓扑电路在正常工作时的输出电压不同于传统拓扑电路，此电路中不存在二极管的管压降，即电池组的输出电压为=。

此时输出功率表达式如式（8）。在模拟负载保持不变时，=大于传统拓扑电路的输出电压，故而输出功率增加。

在电池内阻、极化电阻、极化电容以及负载相同的情况下，各支路电流均增大，这是因为二极管的损耗在新型拓扑电路中被继电器短路消除。硅二极管的正向导通管压降为0.6～0.8 Ⅴ，此时在二极管处产生的导通损耗为，近似等于管压降与流过的各支路电流的乘积，如式（9）所示。

式（9）中，因二极管本身导通管压降较低对的影响较小，各支路电流对的影响较大，在负载阻抗值较小时，电池组各支路电流会很大，其导通损耗会对电路造成很大的功率损失并且影响其正常输出。

此外，二极管还存在开关损耗，包括截止损耗、开通损耗、关断损耗，在二极管两端电压频繁变化时开关损耗尤为突出。

开关损耗和导通损耗的总和构成二极管的工作总损耗，其不仅造成了能量的损失，且会产生较大的热量。

为了弥补传统拓扑电路这一缺陷，一般会在电路中加入散热装置以维持电池组安全稳定地工作，导致电路的体积较大。新型拓扑电路则直接从根源上去除了二极管损耗，在提升电池组能量利用效率的同时避免了多余热量的产生。不过继电器本身也存在损耗，但是其损耗仅发生在触点接通或切断的瞬间。使用脉冲电压激励线圈，功率损耗一般小于1 W，在处于导通或断开时，线圈不需要继续通电，所以不产生功率损耗。

通过仿真对2种拓扑电路进行验证，由仿真结果证实二极管管压降对电池组的输出功率有较大的影响。

3.1 仿真过程

通过MATLAB软件的Simulink模块对传统拓扑电路和新型拓扑电路进行模拟仿真。通过对仿真结果的观察与分析，对2种拓扑电路的效果进行比较。根据新型拓扑电路模型以及控制流程图进行仿真模型的搭建，基于MATLAB/Simulink的防互充拓扑仿真电路如图5所示。图5中继电器分别由支路电流、输出电压决定其闭合状态，该模型可以实现新型电路和传统拓扑电路的仿真过程。当取消继电器信号输入后，继电器处于断开状态，即可获得传统型拓扑电路的仿真结果。

图5 基于MATLAB/Simulink的防互充拓扑仿真电路

3.2 结果与分析

取单体电池开路电压为3.7 Ⅴ，假设单体电池的电池内阻、极化电阻、极化电容相同，负载电阻假设为1 Ω，大功率的硅二极管正向导通管压降可以达到1 Ⅴ，在此以硅二极管导通管压降的最小值0.6 Ⅴ为模拟实验管压降的值。在以上假设条件下进行仿真实验，2种拓扑电路的仿真结果如图6所示，分别对支路、干路电流以及输出功率进行了记录与分析。

图6 （网络版彩图）2种拓扑电路的仿真结果

3.2.1 2种拓扑电路支路、干路电流比较

通过仿真结果可以看出2 种拓扑电路的支路、干路电流以及输出功率特点，以及在节点1、2、3处改变单体电池电压来模拟单体电池的不一致性所导致的电压差异。对比图6（a）、图6（b）发现，传统拓扑电路在节点1、2 处对应支路的单体电池电压下降，此时由于电压不同会出现单体电池互充，二极管直接阻断电流的反向，低压支路电流直接降为0，干路电流保持稳定输出；
新型拓扑电路在同种情况下，不仅能够防止其相互充放电，而且由于支路缺少了二极管的管压降，其支路、干路电流明显高于传统电路。

在节点3之后的电路处于关断状态，传统电路在未断开干路开关的情况下，电池组会一直处于放电状态；
而新型电路通过干路串联继电器开关，可以设置欠压保护（模拟实验设为2 Ⅴ），当电池组电压小于等于2 Ⅴ时，电路立即关断，可以实现电池组欠压保护和过压保护。

3.2.2 2种拓扑电路输出功率比较

通过图6（c）、图6（d）的输出功率曲线可以发现，由于消除了正常工作时二极管的导通管压降，新型拓扑电路的输出功率由原来的10.21 W提升到13.66 W，输出功率提升较大。二极管的导通管压降相对于电压较高的电源影响不大，但是对于单体电池电压较低的电池组工作效率来说却是一个极大的提升。

对此进行了不同单体电池电压下的仿真实验，仿真实验结果如表2 所示。由表2 可知，随着并联电池组电压的升高，输出功率逐渐升高，同时新型电路所减少的功率损耗也逐渐增加。对比表2的实验数据可知，通过新型拓扑电路可以大幅提高并联电池组的输出功率。

表2 不同电压下输出功率的变化

3.2.3 2种拓扑电路能量利用效率比较

随着单体电池电压的提升，虽然功率提升百分比下降，但是2 种拓扑电路的功率差值越来越大，即随着电池组电压的提升，新型拓扑电路相较于传统拓扑电路会节约更多的能量；
因此，新型拓扑电路对改善电池组能量的利用率有较大的作用。为验证该新型电路对电池组能量利用效率的提升，针对2种电路的正常工作状态，通过MATLAB/Simulink进行电池组放电仿真实验。仿真实验的电池模型选用Simulink模块内自带的锂离子电池，其各项基础参数如表3 所示，仿真电路模型仍使用图5 所示的拓扑结构。

表3 锂离子电池基础参数

锂离子电池组放电过程的仿真结果如图7 所示，此结果在不考虑对电池组欠压保护的情况下，将电池组能量完全释放。在电池组状态相同的情况下使用新型拓扑电路输出的有用功大于传统拓扑电路，说明电池组能量利用效率得到了有效提升；
在稳定工作期间（即输出功率无大幅度变化），新型拓扑电路输出功率大于传统拓扑电路，此处功率的提升是因为消除了二极管的损耗。

图7 （网络版彩图）2种拓扑电路电池组放电仿真结果

在传统防互充拓扑电路的基础上进行改进，得到了新型不可互充电路拓扑结构；
通过电流状态控制继电器消除二极管损耗，同时降低电池组发热量；
基于MATLAB/Simulink 的仿真分析验证了新型拓扑电路的可行性。结果表明：新型拓扑电路具有防止单体电池之间相互充放电的功能，工作环境得到改善，提高了电池组利用效率和使用寿命。该新型电路适用于电动汽车以及风光蓄电池等储能系统，具有一定的应用价值。下一步将对该新型拓扑电路的充电过程与放电过程进行同步控制，通过进一步仿真以及实验来验证其优越性，希望能够进一步提高蓄电池组的充放电效率。

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