深海動力磷酸鐵鋰電池組均衡方案設(shè)計優(yōu)化

呂　航　劉承志　尹　棟　林鵬峰　賈俊波

(1.國網(wǎng)四川省電力公司樂山供電公司　樂山　614000　2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院　成都　610031 3.淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心　新加坡　529757)

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深海動力磷酸鐵鋰電池組均衡方案設(shè)計優(yōu)化

呂航1，2劉承志2尹棟2林鵬峰2賈俊波3

(1.國網(wǎng)四川省電力公司樂山供電公司樂山6140002.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院成都610031 3.淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心新加坡529757)

為提高深海儲能裝置的長時間安全工作性能，提出了一套深海用的動力磷酸鐵鋰電池設(shè)備的智能電池管理系統(tǒng)(SBMS)，重點分析了SBMS中的電池組均衡管理。針對常用基于電感的Buck-Boost電路的均衡速度和效率分別提出了兩種改進(jìn)方案。引入模糊控制技術(shù)，對實驗室深海項目的磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行了恒流充放電實驗，比較不同改進(jìn)方案的均衡實驗效果。將電池均衡的改進(jìn)方案應(yīng)用于某微型電動車電池組的實際工況中，驗證了改進(jìn)方案可提高電池組的可用容量。

深海儲能裝置磷酸鐵鋰電池電池管理系統(tǒng)均衡電路模糊控制

0　引言

由于動力電池具有低污染排放和相對廉價等優(yōu)點，被越來越多地應(yīng)用于深海設(shè)備儲能系統(tǒng)中，如水下機(jī)器人車輛和深海探測儀器等。鋰離子電池作為動力電池，具有能量密度高、輸出功率大和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，在新能源汽車和新能源發(fā)電等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的工程價值[1]。本文針對深海設(shè)備較長續(xù)航時間的特點，提出了一套大容量的鋰離子電池組輔助電源供電系統(tǒng)。其中磷酸鐵鋰電池(Lithium Iron Phosphate，LiFePO4)具有工作電壓適中、電容量大、放電功率高、可快速充電且循環(huán)壽命長、在高溫和高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高等特性，是目前產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為符合環(huán)保、安全和高性能要求的鋰離子電池[2]。

通常，LiFePO4電池的工作電壓為2.5～3.65 V，并不能滿足一般深海設(shè)備(如水下機(jī)器人車輛等)的電壓要求，所以在組成動力電池時，需要對電池進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián)，以達(dá)到合適的電壓等級和容量等級[3]。本文中深海儲能設(shè)備的電池組由12個單體的磷酸鐵鋰電池串聯(lián)組成，智能電池管理系統(tǒng)(Smart Battery Management System，SBMS)作為電池重要的組成部分，保證電池安全、高性能工作。SBMS具有以下功能：①電池均衡[4]；②采集電池電壓、電流和溫度數(shù)據(jù)；③估計電池荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)、健康狀態(tài)(State of Health，SOH)和剩余容量；④保護(hù)電池安全工作；⑤控制電池充放電過程。由于磷酸鐵鋰電池本身的不一致性，再加上反復(fù)充放電導(dǎo)致電池間差異性和SOC不一致性逐漸加大，而這種差異性會大大降低電池組的整體性能，更嚴(yán)重的是會損壞電池[5]。因此，需要電池均衡系統(tǒng)來保證電池組安全和延長電池組工作時間。

電池的主動均衡主要是通過電容或電感實現(xiàn)電荷在電池間的轉(zhuǎn)移[6-8]，其中以電容作為均衡的能量轉(zhuǎn)移裝置控制簡單且效率較高，但它受限于均衡電流小的原因，使得以電容實現(xiàn)均衡的速度慢，難以快速地在電池組中實現(xiàn)均衡[9，10]；而對于提高均衡電流，加快均衡速度來說，電感作為能量轉(zhuǎn)移元件起到了較好的作用，但它也相對存在著控制復(fù)雜、損耗較高等缺點[11，12]。電池組的均衡時間和效率是決定均衡策略的兩大重要因素，國內(nèi)外學(xué)者對提高電池均衡的速度和效率等進(jìn)行了一定研究。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于模糊控制技術(shù)配合當(dāng)前電壓狀況實時控制的均衡電路，縮短了均衡時間，提高了均衡效率。文獻(xiàn)[14]研究了4種均衡拓?fù)洌ㄟ^理論分析可知，單體電池對單體電池均衡的拓?fù)潆娐肥蔷馑俣茸羁?、效率最高的方法。文獻(xiàn)[15]針對均衡電路開關(guān)損耗，提出了一種可以實現(xiàn)零電流開關(guān)的準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換電路，與傳統(tǒng)均衡電路相比可以提高20%～30%的效率。

本文采用基于SOC估計[16，17]和模糊控制算法[18]的磷酸鐵鋰電池組均衡控制策略。首先對應(yīng)用廣泛的基于電感的Buck-Boost均衡電路進(jìn)行簡單理論分析；然后針對其缺點在控制策略和電路拓?fù)鋬煞矫嫣岢隽藘煞N改進(jìn)方案，優(yōu)化了電路結(jié)構(gòu)，提高了均衡速度，降低了均衡損耗；最后，通過實驗驗證改進(jìn)后的均衡電路的效果。

1　方案提出

1.1電池模型

深海磷酸鐵鋰電池組輔助電源供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1a所示，它包含電池層(battery layer)和電子層(electronic layer) 兩部分。其中電池層包括12節(jié)磷酸鐵鋰電池和2塊控制板，如圖1b所示。電子層主要由逆變器、充電器和繼電器等組成。其中，兩塊控制板分別為主控制板和平衡電路板。主控制板主要具有采集電池數(shù)據(jù)、保證電池工作安全和控制平衡電路板工作的作用，同時，電池的SOC估計算法也內(nèi)嵌于該控制板中，實時給出估計值。當(dāng)電池組的SOC不一致時，通過主控制板的控制信號實現(xiàn)平衡電路板的控制工作。

圖1　深海磷酸鐵鋰電池組結(jié)構(gòu)Fig.1　Structure diagram of LiFePO4 stack in deepwater

1.2均衡電路

圖2是以4節(jié)LiFePO4電池為例，基于電感儲能的Buck-Boost均衡電路拓?fù)洌總€基本均衡模塊由1個P溝道MOSFET、1個N溝道MOSFET和1個電感LN組成。其中MOS管SWN,N+1和SWN+1,N由脈寬調(diào)制信號(Pulse Width Modulation，PWM)控制驅(qū)動，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比，并以SOC作為判斷均衡的數(shù)據(jù)依據(jù)，可實現(xiàn)電荷在相鄰電池間的雙向傳遞。

圖2　Buck-Boost均衡電路(以4節(jié)電池為例)Fig.2　Buck-Boost equalization circuit(e.g.implementation for four batteries)

利用MOS管的反向電阻區(qū)作為整流二極管續(xù)流，在MOS管工作中引入同步整流替代之前的以體二極管續(xù)流的工作模式，降低了管耗。但在均衡過程中，需要特別注意MOS管的開斷，防止均衡電路上下橋臂直通，串聯(lián)電池組短路。在該均衡電路下，電池組電荷通過電感儲能并在相鄰電池間傳遞，通常電感工作在斷續(xù)模式，簡化電流控制最小化均衡電路的控制復(fù)雜性。

該均衡電路的缺點主要包括兩個方面：①由于電荷只能在相鄰電池間傳遞，當(dāng)電池組中SOC最大的電池和SOC最小的電池相距較遠(yuǎn)時，電荷需要多次的轉(zhuǎn)移才能實現(xiàn)兩節(jié)電池的傳遞，增加了系統(tǒng)均衡時間，也會增加電荷在多次轉(zhuǎn)移過程的損耗；②在一個PWM信號周期內(nèi)，0～DT時間內(nèi)SOC高的電池轉(zhuǎn)移電荷給電感，DT～T時間內(nèi)電感將電荷轉(zhuǎn)移給SOC低的電池，使得每個電池在一個周期T內(nèi)并未完全均衡，部分時間處于不均衡狀態(tài)，使得一個周期內(nèi)的平均電流(即均衡電流)減少，降低了均衡速度。

針對以上兩個缺點，分別在第二節(jié)提出兩種改進(jìn)的方案。

1.3模糊控制器設(shè)計

在均衡電路方案中，通過模糊控制算法控制PWM信號實現(xiàn)均衡電流的調(diào)節(jié)，模糊控制器包括規(guī)則庫、推理機(jī)制、模糊化和解模糊化，如圖3所示。模糊控制器有兩個輸入變量：兩節(jié)電池間的SOC差值和電池SOC。輸出變量為PWM信號控制的均衡電路的均衡電流Iequ。 根據(jù)實驗經(jīng)驗，設(shè)計了5×5條模糊規(guī)則進(jìn)行控制。

圖3　模糊控制結(jié)構(gòu)框圖Fig.3　Structure of fuzzy controller

2　方案改進(jìn)

2.1方案1——減少轉(zhuǎn)移步驟，提高均衡速度

通常電池均衡電路的功率決定了均衡的速度，一個開關(guān)周期的均衡電流越大，轉(zhuǎn)移的電荷也就越多。但是實際工程應(yīng)用中，均衡電路功率是受限的，并不能無限制地增加。因此當(dāng)均衡電路的功率確定后，電荷轉(zhuǎn)移的平均步數(shù)決定了電池的均衡速度和損耗。

因此，本文首先針對圖2所示的Buck-Boost均衡電路僅能在相鄰電池間傳遞電荷的均衡特性，提出了如圖4所示的均衡電路拓?fù)洹?/p>

圖4　改進(jìn)方案1均衡電路Fig.4　Equalization circuit of improved scheme 1

改進(jìn)的均衡電路1通過電池組合的方式，同時結(jié)合新的均衡控制算法，不僅可實現(xiàn)電荷在相鄰電池之間的傳遞，也可以實現(xiàn)電池組之間的傳遞。首先，電池組通過均衡子電路S1和S2完成相鄰電池間的電荷轉(zhuǎn)移；其次，當(dāng)相鄰的電池均滿足電池一致要求時，相鄰的電池組合成新的電池組C1和C2， 以電池組中的平均SOC作為均衡的判斷依據(jù)，如圖4所示，并通過均衡子電路S3完成電池組間的電荷轉(zhuǎn)移，最終實現(xiàn)電池組的均衡。文獻(xiàn)[19]在該改進(jìn)電路的基礎(chǔ)上，給出了定性的分析，并通過仿真驗證了其可行性。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步研究該電池組合的均衡電路，定量的計算電池組中電荷轉(zhuǎn)移的步數(shù)，即電池的均衡速度和損耗，驗證改進(jìn)方案1均衡電路的性能。

電荷轉(zhuǎn)移的平均步數(shù)Savg定義為

(1)

式中，Sij為電荷從第i節(jié)電池轉(zhuǎn)移到第j節(jié)所需的步數(shù)；T為電池電荷轉(zhuǎn)移步數(shù)的總和，當(dāng)電池組中有N節(jié)電池時，T=N(N-1)。 以N為偶數(shù)為例，Buck-Boost均衡電路和改進(jìn)方案1均衡電路的電池電荷轉(zhuǎn)移步數(shù)的計算如下所示。

Buck-Boost均衡電路所需的電荷轉(zhuǎn)移步數(shù)為

(2)

改進(jìn)方案1均衡電路所需的電荷轉(zhuǎn)移步數(shù)為

(3)

式中，*表示N為2的倍數(shù)且不為4的倍數(shù)；#表示N為4的倍數(shù)。

由式(2)和式(3)可繪制兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電荷轉(zhuǎn)移的平均步數(shù)曲線，如圖5所示。圖5表明改進(jìn)的均衡電路在開關(guān)和MOS管不變的情況下，減少了電荷所需轉(zhuǎn)移的平均步數(shù)，加快了電池組的均衡速度，降低了電荷轉(zhuǎn)移過程的損耗。

圖5　改進(jìn)前后電路電荷轉(zhuǎn)移的平均步數(shù)Fig.5　Average steps for charge transfer of each structure

2.2方案2——增加均衡電流，提高均衡速度

圖6　改進(jìn)方案2均衡電路Fig.6　Equalization circuit of improved scheme 2

圖7　改進(jìn)方案2均衡電路等效電路Fig.7　Equivalent circuit of improved scheme 2

與之前方案相比，改進(jìn)方案2的均衡電路在一個周期時間內(nèi)，連續(xù)的完成了電池組C1的放電和電池組C2的充電；每個均衡子電路的兩個橋臂單元交替的工作在占空比接近0.5的PWM信號下，均衡電流為兩個橋臂的輸入輸出電流之和，使得均衡電流變成了之前的2倍，提高了均衡的速度。

然而，在改進(jìn)方案2中每個均衡子電路都新增加了一路橋臂，增加了均衡電路的成本和控制的復(fù)雜性，同時，均衡電流和均衡的損耗也呈正比關(guān)系。因此，通過實驗分析可知，當(dāng)電池組中不一致性較嚴(yán)重，如某節(jié)電池的SOC很明顯高于或低于其他電池時，防止其中某節(jié)電池過充或過放，采用改進(jìn)方案2能夠快速地實現(xiàn)均衡，保證電池組的安全工作；當(dāng)電池組中不一致性較小或均衡多節(jié)電池時，通過改進(jìn)方案1可有效降低控制復(fù)雜性和均衡的損耗。

3　實驗系統(tǒng)

3.1實驗系統(tǒng)設(shè)備

本研究采用新加坡淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心深海輔助電源設(shè)備的磷酸鐵鋰電池，實驗平臺的搭建如圖8a所示，其中實驗設(shè)備參數(shù)見表1。首先進(jìn)行了磷酸鐵鋰電池組在靜態(tài)(即非充放電)、電流為5 A的恒流放電實驗；其次，深海磷酸鐵鋰電池組電源

圖8　實驗系統(tǒng)Fig.8　Experimental system

設(shè)備的供電對象主要為工況簡單的深海探測儀等裝置，因此，在實驗室中將深海用磷酸鐵鋰電池組及電池管理系統(tǒng)應(yīng)用于工況更加復(fù)雜的微型電動汽車中，驗證兩種改進(jìn)的均衡策略的性能，如圖8b所示。

3.2實驗結(jié)果

圖9為靜態(tài)和放電狀態(tài)下的磷酸鐵鋰電池組均衡實驗。相比于圖9a，兩種改進(jìn)方案改變了Buck-Boost均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，使得電池組能夠較快的實現(xiàn)均衡；比較圖9b和圖9c可知，改進(jìn)方案2在每個子均衡電路基礎(chǔ)上增加了一個結(jié)構(gòu)相同、工作互補(bǔ)的橋臂，增大了均衡電流，加快了電池組的均衡速度，見表2。同時，改進(jìn)方案有效減少了均衡中能量傳遞步數(shù)，提高了整個均衡方案的效率，在表2中，改進(jìn)的方案增加了在4節(jié)電池均衡后SOC的平均值，降低了均衡中的損耗。圖9d為帶有改進(jìn)方案2的放電曲線，在放電過程中，當(dāng)電池組中的電池SOC達(dá)到均衡條件時，MCU控制開關(guān)工作，使各單體電池SOC逐漸趨近于相同，最終增加了整個電池組的放電容量。

圖9　均衡實驗Fig.9　Cell equalization test

均衡方案均衡速度/s均衡后SOC(%)Buck-Boost電路315096.473改進(jìn)方案1256496.575改進(jìn)方案2145596.504

圖10是將改進(jìn)的方案2應(yīng)用于某微型電動車中的實測數(shù)據(jù)。當(dāng)啟動電動車時，實測電流急劇上升。當(dāng)剎車時，電流值為負(fù)。由圖10b可知，改進(jìn)的方案能適用于大功率的電池設(shè)備中，較快地實現(xiàn)了電池的均衡。

圖10　實測數(shù)據(jù)Fig.10　Real-time measurement data

圖11為改進(jìn)方案均衡實驗電池1的均衡電流。對比改進(jìn)方案1和改進(jìn)方案2，由于改進(jìn)方案2中一個PWM周期內(nèi)每個電池連續(xù)地充放電，使其均衡電流變成之前的2倍，加快了均衡的速度。

圖11　改進(jìn)方案均衡實驗電池1電流Fig.11　Improved schemes cell 1 equalization current test

4　結(jié)論

本文基于新加坡淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心實驗室項目的深海磷酸鐵鋰電池組儲能系統(tǒng)的測試實驗平臺，重點分析和優(yōu)化電池組的均衡電路及控制策略，以均衡速度和效率這兩個影響均衡的重要因素對改進(jìn)前后的方案進(jìn)行了對比，驗證了改進(jìn)的方案效果：

1)證明了改進(jìn)均衡方案1在電感和MOS不變的情況下，通過改變均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和配套的均衡控制策略，可以減少電池組內(nèi)電荷傳遞的平均步數(shù)，提高了均衡的時間，降低了損耗。

2)分析了影響B(tài)uck-Boost電路和改進(jìn)方案1均衡電流的因素，從提高一個PWM信號周期內(nèi)的平均電流出發(fā)，在改進(jìn)方案1的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)方案2，使得均衡電流變成之前的2倍，提高了均衡速度。

通過實驗驗證了改進(jìn)均衡方案的可行性，為進(jìn)一步將基于電感的電池均衡技術(shù)用于大功率的深海儲能設(shè)備的深入研究工作打下基礎(chǔ)，從而保證電池儲能的安全高效應(yīng)用。本研究工作是基于電池SOC估計結(jié)果，實現(xiàn)不同改進(jìn)均衡電路的工作，SOC估計算法及其估計精度對均衡系統(tǒng)的影響是下一步研究工作。

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The Design and Optimize of Equalization Schemes for Underwater Power LiFePO4 Battery Stack

Lü Hang1，2Liu Chengzhi2Yin Dong2Lin Pengfeng2Jia Junbo3

(1.State Grid Leshan Power Supply CompanyLeshan614000China 2.School of Electrical EngineeringSouthwest Jiaotong UniversityChengdu610031China 3.Clean Energy Research CenterTemasek PolytechnicSingapore529757Singapore)

In order to improve life cycle and safety of underwater energy storage equipment，the research provides a smart battery management system (SBMS) for power lithium iron phosphate (LiFePO4) stack，and focuses on the cells equalization circuit.Two optimized schemes have been proposed for the Buck-Boost circuit based on inductors in order to improve performance of the equalizing time and the efficiency.The fuzzy current controller is used in system.A constant current charge-discharge experimental study is done on the underwater LiFePO4 stack and comparisons among the performances of three equalizing schemes are carried out.The optimized balancing scheme is implemented on a small electric vehicle，which verifies that the battery stack usage capacity has been improved.

Underwater energy storage equipment，lithium iron phosphate，battery management system，equalization circuit，fuzzy controller

2015-06-03改稿日期2015-09-11

TM912.1

呂航男，1990年生，碩士研究生，研究方向為電動汽車和可再生能源。

E-mail：march_lh@sina.com(通信作者)

劉承志男，1963年生，副教授，研究方向為電力及軌道電氣化繼電保護(hù)和繼電保護(hù)測試。

E-mail：lcz2928@163.com