礦用單軌吊磷酸鐵鋰電池組復(fù)合式分層均衡電路

王亮，張亞，羅雙，吳良恕

(安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

礦用單軌吊是一種機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)、運(yùn)行速度快、載荷量大、安全可靠的輔助運(yùn)輸設(shè)備[1]。相對于傳統(tǒng)鉛酸或鎳氫蓄電池，磷酸鐵鋰電池具有壽命長、單體電池容量大、安全性能高、環(huán)保、體積小等優(yōu)點(diǎn)[2]，被廣泛用作礦用單軌吊動(dòng)力源。我國礦用單軌吊動(dòng)力源一般要求電壓不低于300 V、容量不低于400 A·h，因此需要將上百個(gè)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)成電池組供電。由于每節(jié)電池參數(shù)不同及連續(xù)的充放電，使得電池電壓、容量、內(nèi)阻等發(fā)生改變，電池不一致性會(huì)導(dǎo)致電池在過充或過放過程中性能逐漸降低[3]，從而縮短電池使用壽命。因此，需要對電池進(jìn)行管理[4]，其中主動(dòng)均衡是電池管理研究的重點(diǎn)內(nèi)容[5-6]。

主動(dòng)均衡主要是通過儲(chǔ)能元件和控制開關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電荷在電池間的轉(zhuǎn)移[7-8]。文獻(xiàn)[9]提出了電容和開關(guān)組合均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，利用電容作為中間儲(chǔ)能元件，但均衡速度有待提高。文獻(xiàn)[10-11]在Buck-Boost均衡電路基礎(chǔ)上，用開關(guān)電感模塊替代電感，減少了開關(guān)管數(shù)量，降低了均衡過程中的能量損耗，提高了均衡速度，但當(dāng)被均衡的電池?cái)?shù)量龐大時(shí)，控制策略較復(fù)雜。文獻(xiàn)[12-14]提出了單開關(guān)、雙開關(guān)、準(zhǔn)諧振開關(guān)電容式均衡拓?fù)?，通過具有恒定頻率和固定占空比的1對互補(bǔ)脈沖信號來控制電路開關(guān)，但當(dāng)被均衡電池的電壓差較小時(shí)，通過電容的均衡電流小，難以實(shí)現(xiàn)快速均衡。文獻(xiàn)[15]提出了基于輔助電源的飛渡電容均衡電路，使均衡電流大小取決于輔助電源輸出電流大小，不受被均衡電池電壓差的限制，有效提高了均衡速度，但在充電過程中容易出現(xiàn)電池過壓現(xiàn)象。

本文將Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路相結(jié)合，提出了一種復(fù)合式分層均衡電路。利用分組分層結(jié)構(gòu)方式，不僅可對相鄰電池進(jìn)行均衡，還可實(shí)現(xiàn)非相鄰電池間均衡，縮短了均衡時(shí)間；通過比較電池電壓控制開關(guān)管通斷，控制策略簡單。

1 復(fù)合式分層均衡電路結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 復(fù)合式分層均衡電路

復(fù)合式分層均衡樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Bi(i=1，2，…，n，n為電池?cái)?shù)量)為被均衡的串聯(lián)電池，Cf，3·2m-f-1(f=1，2，…，m，m為分層數(shù))為不同類型的均衡電路，在第f層共有3·2m-f-1個(gè)均衡電路，對應(yīng)3·2m-f個(gè)電池組，每組電池?cái)?shù)量為2f-1，n與m關(guān)系為n=3·2m-1。在第1至m-1層依據(jù)二叉樹原理采用雙單體直接交互均衡電路，在第m層采用三單體直接交互均衡電路。

圖1 復(fù)合式分層均衡樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文采用基于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路的復(fù)合式分層均衡樹拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中底層和中間層采用Buck-Boost均衡電路，頂層采用飛渡電容均衡電路。以12節(jié)電池串聯(lián)為例，復(fù)合式分層均衡電路分為3層，如圖2所示。底層每2節(jié)相鄰單體電池通過Buck-Boost均衡電路均衡；中間層以每2節(jié)相鄰單體電池為1組，每2個(gè)相鄰電池組通過Buck-Boost均衡電路均衡；頂層以每4節(jié)相鄰單體電池為1組，3個(gè)電池組通過飛渡電容均衡電路均衡，在1個(gè)開關(guān)工作周期內(nèi)，有且僅有2個(gè)電池組通過飛渡電容均衡電路均衡。

1.2 底層和中間層工作原理

每2節(jié)相鄰單體電池B1B2，B3B4，…，B11B12為1組，每一組通過Buck-Boost均衡電路進(jìn)行均衡。以2節(jié)相鄰單體電池B1，B2為例，當(dāng)B1電壓高于B2電壓時(shí)，對B1，B22節(jié)電池開啟均衡。此時(shí)使三極管M1導(dǎo)通，電流依次通過B1，L1，M1形成回路，L1生成反向感應(yīng)電動(dòng)勢，B1放電，L1充電，即電池的放電過程。當(dāng)流入L1的電流達(dá)到最大時(shí)，L1的反向感應(yīng)電動(dòng)勢使D2導(dǎo)通，電流依次通過L1，D2，B2形成回路，L1放電，B2充電，即電池的充電過程。通過以上過程將B1電量經(jīng)L1傳輸給B2，完成2節(jié)相鄰單體電池B1，B2之間的均衡。

圖2 復(fù)合式分層均衡電路

底層電池均衡結(jié)束后，B1B2，B3B4，…，B11B126個(gè)電池組內(nèi)各單體電池電壓近似一致，但各電池組的電壓不一致。將中間層每2個(gè)相鄰電池組通過Buck-Boost均衡電路進(jìn)行均衡，中間層電池均衡過程與底層一致，不再贅述。

1.3 頂層工作原理

2 均衡控制策略

底層和中間層Buck-Boost均衡控制策略：對每2節(jié)相鄰單體電池或每2個(gè)相鄰電池組的電壓進(jìn)行比較，使電壓大的單體電池或電池組放電，電壓小的單體電池或電池組充電。以單體電池B1，B2為例，Buck-Boost均衡電路控制信號邏輯如圖3所示。U1B，U2B分別為B1，B2的電壓，將U1B，U2B進(jìn)行比較得到2個(gè)輸出U12B，U21B。若U1B>U2B，則U12B=1，U21B=0；若U1B

圖3 Buck-Boost均衡電路控制信號邏輯

圖4 飛渡電容均衡電路控制信號邏輯

根據(jù)充放電控制信號邏輯表達(dá)式，可得飛渡電容均衡電路各三極管的控制信號邏輯真值，見表1。

表1 控制信號邏輯真值

3 仿真分析

在Matlab/Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖2搭建復(fù)合式分層均衡電路仿真模型，其中單體電池額定電壓為3.2 V、容量為6 A·h。仿真參數(shù)：12節(jié)串聯(lián)電池B1—B12的初始電壓分別為2.756，2.764，2.775，2.787，2.802，2.820，2.840，2.863，2.889，2.918，2.950，2.985 V；Buck-Boost均衡電路中電感為0.015 H，電阻為2 kΩ；飛渡電容均衡電路中電容為0.017 F，電阻為100 Ω；開關(guān)周期為0.009 s。分別對Buck-Boost均衡電路、飛渡電容均衡電路、復(fù)合式分層均衡電路進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

(1) 均衡時(shí)間。從圖5可看出，Buck-Boost均衡電路、飛渡電容均衡電路、復(fù)合式分層均衡電路的均衡時(shí)間分別為4 500，1 200，500 s，復(fù)合式分層均衡電路相對于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路，在均衡時(shí)間上分別減少了約89%和58%。

(a) Buck-Boost均衡電路

(b) 飛渡電容均衡電路

(c) 復(fù)合式分層均衡電路

(2) 電池電壓一致性。電池電壓一致性用電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差來表征，標(biāo)準(zhǔn)差越小，表明電池之間電壓差異越小，一致性越好。從圖5可得不同均衡電路均衡后電池電壓趨于穩(wěn)定時(shí)的值，見表2。由此計(jì)算不同均衡電路均衡后電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差，見表3?？煽闯鰪?fù)合式分層均衡電路相對于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路，電壓標(biāo)準(zhǔn)差分別減少了約11%和99%，電池電壓一致性顯著提高。

表2 不同均衡電路均衡后電池電壓

4 結(jié)語

將Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路相結(jié)合，提出了一種復(fù)合式分層均衡電路，使電池不僅能夠在層內(nèi)進(jìn)行能量傳遞，還可在層間進(jìn)行能量傳遞，具有控制簡單、易擴(kuò)展、開關(guān)管數(shù)量少的優(yōu)點(diǎn)，適用于不同電池容量要求的礦用單軌吊場合。通過仿真對比分析，表明復(fù)合式分層均衡電路相對于Buck-Boost均衡電路和飛渡電容均衡電路縮短了均衡時(shí)間、提高了電池電壓一致性。

表3 不同均衡電路均衡后電池電壓標(biāo)準(zhǔn)差