磷酸鐵鋰電池組多層混合主動均衡電路設計

吳良恕，張勁松，王 亮

(1.安徽理工大學 力學與光電物理學院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦用電子技術(shù)研究所，安徽 淮南 232008)

現(xiàn)今，磷酸鐵鋰電池在新能源汽車、礦用大功率設備以及風力、光伏等可再生能源發(fā)電電池儲能系統(tǒng)中有著極其重要的作用。相比于其他鋰離子電池而言，磷酸鐵鋰電池能成為最具吸引力的電池之一是因為其有著能量密度高，穩(wěn)定性好和自放電效率低等優(yōu)點[1]。然而，由于大多數(shù)應用設備需要在高壓條件下進行工作，因此需要將多個鋰離子電池進行串聯(lián)連接來達到所需要的電壓水平。串聯(lián)后的電池組可視為一個高電壓大電池，能夠更方便的去進行充電和放電[2]。但由于目前的制作工藝還未達到較高水準以及原材料材質(zhì)的不均勻，各單體電池的容量和內(nèi)阻存在一定差異，在充放電過程中，容量和內(nèi)阻的不同會導致電池飽和和消耗快慢的不同[3]。若不對電池組內(nèi)的單體電池進行均衡管理，隨著時間的推移和充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池間各參數(shù)的不一致性問題將會日益嚴重，這對整個電池組的安全和壽命都是極其不利的[4]。

從耗能角度定義，鋰電池均衡可分為能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡，即被動均衡和主動均衡，這也是目前電池均衡的兩大主要研究方向。被動均衡方案是通過分流電阻器將較高SOC電池的過量電荷消耗掉，直到它們的SOC與電池組中的低SOC電池相匹配。多余的能量以熱能的形式被耗散，均衡電流通常?10 mA/A·h[5]。被動均衡具有電路拓撲結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易控制、易實現(xiàn)等優(yōu)點，但其均衡時間過長，電池組難以進行快速均衡，并且由于多余的能量被轉(zhuǎn)化成了熱能對電池產(chǎn)生不利影響，造成電池組的可用容量減少，還需要額外的熱管理來處理分流電阻上的熱量，增加了電池組的溫度管理難度[6-7]。主動均衡主要是指通過控制開關(guān)驅(qū)動電路來實現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移，通過儲能元件實現(xiàn)高低電壓電池之間的能量轉(zhuǎn)移，具有均衡速度快、能量耗散低的優(yōu)點[8]。但主動均衡往往有著比較復雜的電路拓撲結(jié)構(gòu)和控制算法，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和均衡電路的優(yōu)化，均衡所使用的成本和功耗可以大大降低，主動均衡策略將得到更廣泛的應用[9]。目前均衡研究方案有基于Buck-Boost雙層能量轉(zhuǎn)換器法[10]、級聯(lián)全橋多層變換器法[11]、Ramp轉(zhuǎn)換法[12]和新的Buck-Boost均衡電路法等[13-14]。

在傳統(tǒng)Buck-Boost電路的工作原理基礎上，采用了一種新的以Buck-Boost電路為底層和中間層以及最高層采用反激式變壓器轉(zhuǎn)換電路的多層雙單元混合式主動均衡樹拓撲電路結(jié)構(gòu)，并對所提出的均衡電路進行仿真驗證。仿真結(jié)果表明，可以按照預期要求快速有效地實現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移。

1 多層混合主動均衡電路結(jié)構(gòu)

文章設計的多層雙單元混合均衡樹拓撲示意圖(見圖1)。B1-Bn為n節(jié)磷酸鐵鋰電池，Cm,i為第m層第i個Buck-Boost均衡變換器，頂層Am,1為反激式變壓器均衡變換器。當m與n之間滿足最佳關(guān)系n=2m時，頂層Am,1設置為雙端單繞組反激式變壓器。

圖1 多層雙單元混合均衡樹拓撲示意圖

以16節(jié)電池為例，總體均衡共分為4層，前3層均采用的是基于電感均衡的Buck-Boost均衡電路，第4層采用的是雙向反激式變壓器均衡電路。相比于傳統(tǒng)由單節(jié)最高能量電池向最低能量電池傳遞的Buck-Boost均衡電路而言，這種結(jié)構(gòu)可以在不同層之間同時傳遞能量，因此傳遞能量速度更快，所需要的周期更短。

當單體電池數(shù)目為2m個時，在均衡過程中，將兩節(jié)電池(如B1-B2)作為一個雙單元整體，內(nèi)部通過Buck-Boost均衡來實現(xiàn)底層兩節(jié)單體間的能量平衡，然后再將此雙單元整體作為下一個均衡單元，用第二層均衡器實現(xiàn)四節(jié)電池(如B1B2-B3B4)間的均衡，以此類推，第i層均衡器可以實現(xiàn)2i節(jié)電池之間的均衡。

若在整個電池組中，只有首尾兩節(jié)單體電池(即B1和Bn)達到需要均衡的條件時，在多層混合均衡的情況下，能量傳遞所經(jīng)過的所有均衡器數(shù)目為2m-1個；此時傳統(tǒng)單層Buck-Boost均衡電路工作時所需要經(jīng)過的均衡器數(shù)目為n-1個。此時n-1=2m-1≥2m-1，當m≥5時，對首尾待均衡的單體電池而言，多層雙單體比傳統(tǒng)單層所需要經(jīng)歷的均衡器的數(shù)目少的多?？芍鄬与p單體混合均衡電路在很大程度上降低了能量的消耗，提高了轉(zhuǎn)換的效率。

1.1 雙單元Buck-Boost均衡電路

分別以第一層2節(jié)單體電池和第二層4節(jié)單體電池實現(xiàn)能量平衡為例來說明雙單元間的Buck-Boost均衡電路的工作原理,2節(jié)電池均衡電路圖(見圖2)。

圖2 2節(jié)電池均衡電路圖

如圖2(a)所示，假設VB1-VB2?C(C為設定壓差常數(shù))，輸出PWM驅(qū)動信號為高電平時，控制開關(guān)管Q1導通，此時開關(guān)管Q2處于斷開狀態(tài)，形成B1、Q1、L1回路，B1通過Q1給電感L1提供能量；輸出PWM驅(qū)動信號為低電平時，開關(guān)管Q1斷開，如圖2(b)所示，在續(xù)流二極管作用下，B2、D2、L1形成新的回路，電感L1的能量將傳遞給B2，其中PWM

控制信號占空比D=0.5，電感電流始終工作于斷續(xù)模式(DCM)，最終實現(xiàn)B1與B2能量的平衡。

將B1與B2這種兩兩放在一起均衡的模式稱為雙單元均衡，同理，當有4節(jié)單體電池需要實現(xiàn)均衡時(見圖3)，將B1B2視作一個整體單元，B3B4視作另一個整體單元，單元與單元之間可以實現(xiàn)下一個雙單元均衡。

如圖3(a)所示，若檢測到(VB1+VB2)/2-(VB3+VB4)/2?C，則第二層均衡開啟，PWM信號控制開關(guān)管Q5導通，B1B2通過Q5給電感L3提供能量；然后電流通過二極管D6續(xù)流形成閉合回路，如圖3(b)所示，將電感L3中的能量轉(zhuǎn)移到B3B4構(gòu)成的單元整體，最終實現(xiàn)B1B2和B3B4這兩個單元間的能量平衡。

圖3 4節(jié)電池均衡電路圖

當電池組內(nèi)串聯(lián)的電池數(shù)量較多時，以此雙單元均衡模式類推，形成以單元和單元之間的二分法來均衡整個電池組內(nèi)的單體。與傳統(tǒng)Buck-Boost電路只能均衡兩相鄰之間的單體相比，多層雙單元二分法主動均衡更能快速高效地實現(xiàn)整個電池組內(nèi)單體間的均衡。

1.2 反激式變壓器均衡電路

變壓器均衡的優(yōu)點是均衡電流大，均衡速度快，能量傳輸損耗小。頂層采用反激式變壓器均衡電路，電路圖(見圖4)。

圖4 反激式變壓器均衡電路

多繞組變壓器需要為每個單元分開繞組，在具有許多單元的堆疊中(典型系統(tǒng)可能具有數(shù)百個串聯(lián)的電池單元)，變壓器的設計變得麻煩且構(gòu)造復雜。用經(jīng)典的雙繞組變壓器代替多繞組變壓器將大大簡化磁性元件的復雜性。

如圖4(a)所示，將B1-Bn視為一個整體單元，單元內(nèi)采用的是Buck-Boost雙單元均衡策略，Bn+1-B2n作為另一個要均衡的整體單元。當(VB1+VB2+…+VBn)/n-(VBn+1+VBn+2+…+VB2n)/n?C時，頂層變壓器均衡開啟，使能開關(guān)管Q11的PWM驅(qū)動，當Q11導通時，B1-Bn電池組的能量存儲在變壓器中，然后在開關(guān)管Q11關(guān)斷時，再從變壓器轉(zhuǎn)移到另一半Bn+1-B2n電池組，如圖4(b)所示。

通過控制開關(guān)管Q11和Q21的導通與關(guān)斷，最終實現(xiàn)兩個單元的能量平衡。

2 均衡控制策略

2.1 E-SOC

電池模型是對通過Matlab對20 Ah磷酸鐵鋰電池充放電過程E-SOC曲線進行最小二乘法擬合得到的高次多項式函數(shù)E=f(SOC),電池的電動勢變化通過受控恒壓源表示，并且受SOC控制，電池的充放電通過對電流積分的累加來模擬，磷酸鐵鋰電池充放電過程的E-SOC曲線(見圖5)。

圖5 E-SOC曲線

2.2 均衡控制流程

以16節(jié)單體電池，4層均衡控制為例。通過以單元間的壓差作為判斷均衡開啟與否的條件，同時進行電池單元間的多層混合均衡。具體流程圖(見圖6)。

圖6 多層混合主動均衡控制流程

第1層均衡：設第i節(jié)單體電池的電壓為Vi，通過比較電壓的差值，檢測第一層內(nèi)雙單元間電池是否達到平衡。設置均衡開啟的條件為壓差>10 mv，即當|V2i+2-V2i+1|>10 mv時，i=0，1，……，7，控制對應雙單元間開關(guān)管的閉合和斷開，由電感儲存和釋放能量來實現(xiàn)2節(jié)單體電池的能量平衡。

第2層均衡：將第1層內(nèi)雙單元整體電壓設為Vj，當|V2j+2-V2j+1|/2>10 mv時，j=0，1，2，3，對應第二層內(nèi)均衡器開啟，來實現(xiàn)對應雙單元間4節(jié)單體電池的能量平衡。

第3層均衡：將第2層內(nèi)雙單元整體電壓設為Vk，當|V2k+2-V2k+1|/4>10 mv時，k=0，1，對應第二層內(nèi)均衡器開啟，來實現(xiàn)對應雙單元間8節(jié)單體電池的能量平衡。

第4層均衡：將整體16節(jié)電池共分為兩組，每組8節(jié)，此時設單組電壓為Vp，當|V2p+2-V2p+1|/8?10 mv時，p=0，最高層反激式變壓器均衡開啟，來實現(xiàn)16節(jié)單體電池的能量平衡。

當所有層級的雙單元間壓差均小于設置的均衡條件時，達到能量平衡要求，均衡結(jié)束。

3 仿真結(jié)果

為了驗證文章提出的多層雙單元混合主動均衡樹拓撲電路的均衡效果，在Matlab/Simulink中搭建多節(jié)電池的均衡電路仿真模型。單體電池的容量設置為20 Ah，標稱電壓為3.2 V。通過給定初始SOC的不同來設置初始電壓的不同。

電池均衡模塊Simulink仿真結(jié)構(gòu)(見圖7)，以4節(jié)單節(jié)電池分為兩層主動混合均衡來說明仿真電路構(gòu)造和控制原理。在每個雙單元間設置了電壓比較器，在設定的條件下判斷兩單元是否達到了需要的均衡條件，然后通過開關(guān)來控制“0”和“1”的狀態(tài)，“1”表示需要進行能量轉(zhuǎn)移，“0”則表示不需要進行能量轉(zhuǎn)移。

圖7 Simulink均衡仿真結(jié)構(gòu)圖

如圖8所示，仿真實驗對比了4節(jié)串聯(lián)單體電池分別在傳統(tǒng)單層Buck-Boost均衡電路和多層混合均衡電路下的SOC均衡曲線圖。圖8(a)為傳統(tǒng)單層Buck-Boost均衡電路SOC曲線圖，圖8(b)為多層混合均衡電路SOC曲線圖。

初始荷電狀態(tài)分別設置為SOCB1=95%,SOCB2=85%,SOCB3=84%,SOCB4=90%。結(jié)果表明，在均衡效率相差不大的情況下，均衡時間由原來的4 000 s減少到了3 200 s，縮短了20%。

16節(jié)磷酸鐵鋰電池多層混合主動均衡前后的SOC和電壓的數(shù)據(jù)(見表1)，均衡前的電壓標準差為0.091 261，均衡后的電壓標準差為0.001 033，16節(jié)磷酸鐵鋰電池多層混合主動均衡前后的電壓差異性減少了88.35%。SOC極差由無均衡時的16%減少到了0.2%，電壓極差由無均衡時的0.285 V減少到了0.004 V。

16節(jié)電池均衡仿真曲線(見圖9)，驗證了均衡電路的均衡效果。

圖8 4節(jié)單體電池均衡曲線圖

電池序號均衡前SC/%電壓/V均衡后SC/%電壓/VB1953.41889.83.299B2853.24989.83.298B3843.24489.83.299B4903.30289.93.300B5963.44989.93.300B6913.32089.83.299B7893.28789.93.300B8923.34090.03.301B9933.36389.83.300B10863.25689.93.299B11883.27589.93.301B12823.23889.93.300B13943.38989.93.301B14873.26489.93.300B15973.48590.03.301B16983.52390.03.302

圖9 16節(jié)電池均衡仿真曲線

由仿真結(jié)果可知，各層級間的雙單元均衡在時間上是同步進行的，經(jīng)過3 200 s的時間，在Buck-Boost和反激式變壓器電路共同均衡作用下，最終能夠?qū)崿F(xiàn)所有單體電池間的SOC基本一致，達到了預期的均衡效果。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有的鋰離子電池組均衡結(jié)構(gòu)方法的基礎上，采用了一種以雙單元作為均衡整體，構(gòu)建多層級混合主動均衡拓撲結(jié)構(gòu)，在頂層使用反激式變壓器均衡電路，其它層級使用Buck-Boost均衡電路相結(jié)合的均衡設計方案，并對該均衡方案的均衡原理、結(jié)構(gòu)以及控制流程進行了分析。仿真結(jié)果表明，多層混合主動均衡樹拓撲的設計分案能夠在較短時間內(nèi)實現(xiàn)多節(jié)鋰電池的快速均衡。