磷酸铁锂电池组的均衡控制策略优化研究

吕 航 ，刘承志 ，沈金锁 ，贾俊波

（1.西南交通大学电气工程学院，成都 610031；2.淡马锡理工学院清洁能源研究中心，新加坡 529757）

引言

电池作为储能设备在新能源技术上起到了关键性的作用，而锂离子电池已经逐渐取代铅酸电池作为主要的电池储能设备［1］。与铅酸电池相比，锂离子电池具有质量比能量密度高（约为铅酸电池的3～4倍）、体积比能量密度高 （约为铅酸电池的4倍）、无记忆效应、循环寿命长等优点［2-3］。在实际应用（如电动车）中，单体锂离子电池 1.5～4.5 V 的电压范围不能满足实际电压和电流的要求，往往需要多节电池串并联。由于锂离子电池本身的不一致性，再加上使用过程中受充放电电流、自放电率、内阻、温度等各种因素的影响，反复充放电会导致电池间的差异性以及荷电状态SOC（state of charge）不一致性逐渐加大。

由于锂离子电池对过充电和过放电都比较敏感，电池组必须最大限度地保证在充放电过程中电池电压和电流在允许范围内。实验室采用ANR-26650M1A型磷酸铁锂电池在室温的情况下，电压控制在2.5～3.65 V之间。充电过程中如果出现过充，将会损坏电池；放电过程中如果出现过放，也会影响电池寿命。因此，需要通过监测和控制避免电池组出现过充、过放现象。尽管电池组的电压电流在允许的范围内，由于电池组的不平衡，其中的某些电池可能会超过电压电流的允许范围，出现过充、过放，影响电池寿命。所以，需要通过均衡电路防止、诊断和纠正电池组内的不平衡。

目前对锂离子电池均衡方案的研究中［4］，减少平衡时间和降低损耗依然是研究的重点。国内外学者对均衡电路的方案和控制算法的设计做了一定的研究。Markus Einhorm等［5］提出了一种基于单端反激式DC-DC变换器的均衡方案，指出了采用电池容量和SOC的方法，可以提高平衡的效果；Yuang Shunglee 等［6］在 Cûk 均衡电路的基础上，结合模糊逻辑控制，研究了动力电池组的均衡效果；Moon Youngkim等［7］提出了一种中心电池集中式结构的平衡方案，实现了减少开关，降低损耗的效果；罗玉涛等［8］、邱文斌等［9］提出一种动力电池组动态均衡管理系统，简化了系统结构，提高了系统的可靠性。

本文在应用范围较广的电感储能传递能量均衡电路的基础上，提出了一种新的Buck-Boost均衡电路和均衡控制策略，既保证了系统控制监测电池组在安全的范围内工作，也实现了电池间能量的快速传递和低功耗。

1 均衡电路原理

ANR-26650M1A型磷酸铁锂电池充放电实验平台示意如图1所示，其充电过程的电压-时间曲线如图2所示。

分析表明影响充放电效率的因素包括：温度、内阻、容量和平衡时间等。因此，在设计均衡电路方案时平衡时间是考虑的一个重要因素。本文在传统电感储能传递能量的方式基础上，提出一种新的Buck-Boost均衡电路，拓扑结构如图3所示。采用电池组合的形式，电池组中的相邻2节电池组合形成一个电池堆，每个电池堆并联电感储能的Buck-Boost均衡子电路，再把相邻电池堆两两组合形成新的电池堆并联均衡子电路。与传统Buck-Boost均衡电路相比，可有效节约能量传递的步骤，减少平衡的时间。

图1 实验室磷酸铁锂电池充放电实验平台Fig.1 LiFePO4batteries charging and discharging test

图2 室温下的磷酸铁锂电池充电电压曲线Fig.2 LiFePO4battery charging voltage curve at room temperature

改进后的Buck-Boost均衡电路由电池组、均衡子电路、控制系统、电池管理系统组成，均衡子系统由功率开关管和储能电感组成，电路的原理和工作过程如下：电池组每两个相邻单体电池被分为一部分，再通过逐次两两组合减少传递的步骤。当n为偶数时，电池 B1、B2组成电池堆 C1，电池 B3、B4组成电池堆 C2，以此类推，电池 Bn-1、Bn组成电池堆 Cn/2；当 n为奇数时，最后一节电池作为单体不参与组合；电池堆 C1、C2组成新的电池堆 D1，电池堆 C3、C4组成新的电池堆D2，以此类推。同样，如果遇到剩余一个电池堆，则不参与组合，以此方式实现电池控制的简化。

组合形式的电池堆中，当电池堆内实现平衡时，用平均电压Vk表示该电池堆的电压作为下次组合时的参数。以6节电池为例来分析平衡过程，改进的Buck-Boost均衡电路如图4所示。平衡控制前， 电池B1、B2、B3、B4、B5、B6对应的电压分别为 V1、V2、V3、V4、V5、V6。 第 1 次平衡后，B1、B2实现平衡后电压的平均值为V12，B3、B4实现平衡后电压的平均值为 V34，B5、B6实现平衡后电压的平均值为 V56；第2次平衡后，C1、C2实现平衡，平衡后电压的平均值为 V14， 即电池 B1、B2、B3、B4实现了平衡，C3的电压V56为不变；第3次平衡控制后，D1、C3实现平衡，即实现了电池堆的平衡。在平衡过程中，当两两电池没有达到平衡要求时，此时不平衡，取平均电压作为下次平衡控制的参数。

图3 改进后的Buck-Boost均衡电路Fig.3 Improved Buck-Boost balancing circuit

图4 基于6节磷酸铁锂电池改进的Buck-Boost均衡电路Fig.4 Improved Buck-Boost balancing circuit based on six LiFePO4batteries

在电路充放电过程中，改进电路的控制流程与改进的拓扑电路结合，同时可以实现多对电池（堆）的平衡。与传统平衡控制相比，减少了电池组平衡的步骤，降低了平衡的时间，电池组的平衡控制流程如图5所示。其工作过程如下。

图5 改进的Buck-Boost均衡电路控制流程Fig.5 Flow chart of improved Buck-Boost balancing circuit control

阶段1：在6节磷酸铁锂电池组成的电池组中，电池管理系统BMS（battery management system）检测电池堆C1、C2、C3内的电池是否平衡，即电压V1与V2、V3与V4、V5与V6差值是否达到平衡要求。以电池B1与B2实现平衡为例，均衡电路工作原理如图6所示。当V1-V2≥50 mV时，此时系统判断电池B1与B2需要平衡，系统通过PWM信号控制均衡子电路S1中的MOS管开断，由电感储能实现电池间能量的转移，其中PWM控制信号占空比D=0.5，电感电流始终工作于断续模式（DCM），使B1与B2达到平衡。同理，可以实现电池堆C1、C2、C3内的平衡。

图6 电池B1和B2均衡电路Fig.6 Balancing circuit for battery 1 and 2

阶段2：当电池管理系统检测到电池堆C1、C2、C3内的电池都平衡时，计算电池堆的平均电压分别为 V12、V34、V56；然后，系统检测电池堆 C1与C2是否平衡，即电压V12、V34差值是否达到平衡要求，当时，控制均衡子电路S4工作，均衡 后 得 到 电 压 V12、V34的 平 均 值 V14； 当 电 压时，求电压 V12、V34的平均值 V14。

阶段3：电池管理系统检测电池堆D1、C3是否平衡，即电压V14、V56差值是否达到平衡要求，当时，控制均衡子电路S5工作，即实现电池组平衡。

2 仿真与实验

本研究采用新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究中心的ANR-26650M1A型磷酸铁锂电池，MOSFET管为 IRFS38N20DPbF，电感选取 100 μH，电池和电路参数如表1所示。系统采用Matlab仿真工具，MOS管的开关频率为25 kHz。

表1 实验设备主参数Tab.1 Principal parameter of experiment devices

由图6可知，平衡电路电感传递能量，相当于电压较高的电池给电压较低的电池以一定的效率充电。图7为2节磷酸铁锂电池的均衡实验，表2记录50组均衡中2节电池的输入输出功率。计算均衡电路的效率，其效率分布如图8所示。实验结果表明，通过电感在电池间传递能量的效率为78%，其中损耗包括了平衡过程中的开关损耗、线路损耗等。

图7 2节磷酸铁锂电池均衡实验Fig.7 Balancing experimental test of two LiFePO4 batteries

表2 均衡电路输入输出功率及效率Tab.2 Input and output power of balancing circuit and efficiency

图8 均衡实验效率分布Fig.8 Efficiency distributed of balancing experiment

随着电池数量的增多，能量传递步数也相应地增加，但每一步能量的传递都是以78%的效率实现的。忽略均衡子电路的差异性，为了加快电路的仿真速度，在仿真中，根据均衡电流，将每个均衡子电路等效为恒流源对电池充放电，电感储能均衡子电路等效电路如图9所示。其中平衡电流I2=0.78I1。以4节电池为例，研究传统Buck-Boost均衡电路和改进后的Buck-Boost均衡电路，仿真结果分别如图10和图11所示。

图9 电感储能均衡子电路等效电路Fig.9 Equivalent schematic of the balancing circuit based on inductive energy storage

图10 传统Buck-Boost均衡电路SOC曲线Fig.10 SOC curves of Buck-Boost balancing circuit

图11 改进的Buck-Boost均衡电路SOC曲线Fig.11 Improved Buck-Boost balancing circuit SOC curve

实验结果表明：改进后的Buck-Boost均衡电路的平衡时间为994 s，相比于传统的Buck-Boost均衡电路的1 730 s减少了平衡时间；在损耗方面，均衡前电池组电压SOC的平均值为88.35%，改进后的Buck-Boost均衡电路完成均衡后，电池组电池的SOC 平均值为 88.06%，相较与之前的 87.72%，降低了损耗，提高了平衡效率。

为了验证仿真的结果，搭建了改进的均衡方案实验电路，具体电路参数见表1。改进后的均衡电路实验结果如图12所示。由图可知，实验结果与仿真结果基本一致，从而验证了方案的可行性。

图12 改进后的均衡电路实验曲线Fig.12 Test curves of improved balancing circuit

3 结语

本文通过改进后的均衡方案将单体电池的组合，实现逐次平衡，最终达到电池组中所有电池平衡。相比于传统的Buck-Boost均衡电路，在功率开关和电感不变的情况下，降低了开关的损耗，加快了平衡速度。为了验证该方案的可行性，搭建了实验电路和仿真电路。实验结果表明，同步整流和改进后的Buck-Boost均衡电路对提高平衡效率和减少平衡时间均有不错的效果。

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