电动汽车磷酸铁锂电池组均衡电路设计

吕　航，刘承志

（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）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．86中图分类号：TM 42文献标志码：A

电动汽车磷酸铁锂电池组均衡电路设计

吕航1，2，刘承志1

（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）

为了优化和提升电动汽车中的磷酸铁锂电池组均衡系统的性能，在应用广泛的Buck-Boost均衡电路基础上，提出了一种可减少开关数量、加快均衡速度和提高效率的拓扑结构。该均衡电路用开关电感模块替代电感，克服了Buck-Boost均衡电路仅能在相邻电池间传递电荷的缺点，通过控制电感模块中的开关继电器，改变Buck-Boost电路的均衡子电路，减少电荷转移步数。通过对比分析和实验验证可知，优化后的Buck-Boost均衡电路相较于原电路减少了开关数量，加快了27%的均衡速度和提高了均衡效率。

磷酸铁锂电池组；Buck-Boost均衡电路；开关数量；均衡速度；均衡效率

引言

电池技术的发展使其快速地应用于各种领域，其中动力锂离子电池对推进新能源汽车、新能源发电等的发展具有重要的工程应用价值［1］。相较于其他锂离子电池，磷酸铁锂（LiFePO4）电池具有能量密度高、稳定好和自放电率低等优点，广泛涉足于电动车的电池应用［2］。

但受限于单节锂离子电池的电压和容量特性，通常需要多节单体电池串并联组成动力电池组。由于各个电池的化学特性不可避免地存在差异，再加上老化、温度、电流等各种因素的影响，使电池差异性逐渐变大，严重影响电池组容量和电池安全［3］。为解决锂离子电池组不一致的问题，电池管理系统BMS（battery management system）被广泛地应用于动力电池组的保护和优化中，电池组的均衡系统作为其重要的子系统是本文的研究重点。

目前，许多学者针对均衡电路拓扑结构进行了不同角度和深度的设计和研究［4，5］，这些均衡策略可分为两大类：能量耗散型和能量转移型。能量耗散型均衡，又称为被动均衡，主要把能量高的电池中的电荷在电阻器中消耗，实现各个单体电池的平衡。但该均衡方法的均衡电流较小，难以在动力电池组中实现快速均衡；同时，在电阻中消耗的电荷转化成热能，增加了电池组的温度管理难度，降低电池系统的效率。能量转移型均衡，又称为主动均衡，主要是通过控制开关电路实现电荷在电池间的转移。相较于被动均衡，主动均衡的均衡电流可以显著增大，同时实现了能量在电池组内部的转移，增加了电池系统的效率，但其往往伴随着复杂的均衡电路和控制算法。陈洋［6］等综合当前串联电池组均衡研究有待解决的问题，从均衡效率、均衡速度和系统复杂程度三个方面分析了不同的主动均衡的电路；邱斌斌［7］等基于电动汽车，利用模糊控制策略，调节个均衡充电子模块的输出电流，提高了均衡电路的性能；Yi-Hsun Hsieh等［8］基于变压器模块，提出了一种高效率，体积小适用性高的均衡策略。

本文在采用电感储能的均衡电路基础上，首先回顾了应用范围较广的Buck-Boost均衡电路拓扑的原理，控制策略及不足；然后，在文献［9］的电路基础上，提出了一种优化后的Buck-Boost均衡电路，以开关数量、均衡时间T和均衡电路效率η作为判断依据，通过实验比较了优化前后均衡电路的性能。

1　均衡电路优化

1.1Buck-Boost均衡电路

Buck-Boost均衡电路如图1所示，通过电感储能的特性，将电池的电流信号转化为电感内部储能，实现电荷的转移。其拓扑结构如图1（a）所示，每两节相邻的电池间有一个均衡子电路，其中每个均衡子电路由2个功率开关管和储能电感组成。以电荷从电池B1向B2转移为例，其工作原理如图1（b）所示。

图1　传统Buck-Boost均衡电路Fig.1 Traditional Buck-Boost balancing circuit

MOS管Qu1开通时，电流iL1线性上升，电感L1开始储能，此时均衡子电路S1吸收电池B1的能量；当MOS管Qd1关断时，电流iL1线性下降，此时电感L1给电池B2充电，完成均衡子电路的一个均衡周期T。如此反复的进行开关操作，可实现电池B1和B2的平衡。

由以上分析可知，Buck-Boost均衡电路仅能在相邻的电池之间传递电荷，当电池间的传输的距离较远时，电荷需要经过多个均衡子电路的传递，传输速度慢且增加开关损耗，增大了均衡时间且降低了均衡效率。因此，为改善电荷仅能在相邻电池间传递的特性，文献［9］提出了一种电池组合的均衡电路，如图2所示。仿真和实验结果均表明，电池组合的均衡电路减少了电荷传递的步骤，从而加快了均衡速度和提高了均衡效率。

图2　电池组合的Buck-Boost均衡电路拓扑结构Fig.2 Grouped cells Buck-Boost balancing topology

这种通过优化均衡电路拓扑结构，改善均衡效果的研究并不罕见。文献［10］提出了一种中心电池集中式结构的均衡电路，减少了开关数量，提高了电池组的均衡速度和效率；文献［11］基于Buck-Boost均衡电路，提出了两种改进的均衡电路，通过增加电池组的均衡电流，提高了均衡性能。本文基于之前的研究，为进一步提升均衡电路的性能，减少开关数量，同时简化均衡控制复杂性，提出了一种优化后的Buck-Boost均衡电路。

1.2优化后的Buck-Boost均衡电路

优化后的Buck-Boost均衡电路如图3所示，与图1和图2的Buck-Boost均衡电路相比，优化后的均衡电路用开关电感模块LK替代电感储能元件L，其中开关K1～K2n为继电器，通过单片机控制其开断。

图3　优化后的Buck-Boost均衡电路拓扑结构Fig.3 Optimized Buck-Boost balancing topology structrue

优化后的均衡电路通过控制继电器开关改变均衡子电路的结构。与图1所示的均衡电路相比，该电路的拓扑结构在电感元件不变的基础上，减少了MOS管数量，可实现不相邻的电池之间的能量传递；与图2所示的均衡电路相比，该电池可实现任意电池的均衡组合，可避免之前电池组数量决定电池组均衡电路结构和控制策略的复杂性，使得均衡电路更容易模块化。其工作原理和控制如下。

模式1（均衡相邻电池）：当2块相邻的电池需要均衡时，通过控制相邻的电感模块中的继电器实现Buck-Boost电路的变换，以电池Bk和Bk+1为例。微处理器分别控制继电器K2k-2、K2k+1和K2k+2闭合，此时优化后的Buck-Boost均衡电路如图4所示。电池Bk和Bk+1组成了基本的Buck-Boost均衡子电路，通过控制MOS管Qk和Qk+1，可实现电池间的电荷转移。

图4　电池相邻时优化后的均衡电路等效电路Fig.4 Equivalent circuit of optimized circuit for adjacent cells

模式2（均衡不相邻电池）：当两块不相邻的电池需要均衡时，结合电池分组的均衡电路，通过控制不相邻的电感模块中的继电器实现电池组和电池组之间的电荷转移，以电池BM向电池BN转移电荷为例（M＜N）。当M-N为奇数时，微处理器分别控制继电器K2M-2、KM+N和K2N闭合，此时优化后的Buck-Boost均衡电路如图5（a）所示，电池组CM和 CN组成了基本的Buck-Boost均衡子电路，通过控制MOS管QM～Q（M+N-1）/2和Q（M+N+1）/2～QN，可实现不相邻电池间的电荷转移；当M-N为偶数时，微处理器分别控制继电器K2M-2、KM+N+1和K2N闭合，此时优化后的Buck-Boost均衡电路如图5（b）所示，其工作原理如上所述。

图5　优化后的均衡电路在电池不相邻时的工作电路Fig.5 Equivalent circuits of optimized circuit for non-adjacent cells

因此，根据其工作原理和控制，其均衡控制流程如图6所示。

图6　优化的均衡电路控制流程Fig.6 Flow chart of the optimized cell balancing circuit

2　对比分析

通常，均衡电路的开关数量、均衡速度T、均衡损耗Ploss和均衡控制复杂性等被用于评价均衡电路性能的主要因素。根据第1节均衡电路介绍可知，3种不同的Buck-Boost均衡电路的开关数量如表1所示。由表可知，在均衡电路功能相同的前提下，优化的均衡电路通过N个MOS管和2N个继电器开关替代原均衡电路的N（N-1）个电子开关，当电池数量大于4时，优化的均衡电路可以有效地减少开关数量，增加均衡电路的自由度，使均衡电路的作用增强；同时，由于继电器控制容易且开关频率很小，相较于电子开关控制复杂且开关频率很高（如50 kHz），优化的均衡电路能很好地实现物理断路，提高系统的效率和可靠性，减少开关的损耗。

表1　3种不同的均衡电路在相同功能下开关数量Tab.1 The number of switches in different balancing circuit under the same function

一般来说，均衡速度与均衡电流和转移步数有最直接的关系，一个均衡周期内，当电流越大，电路转移的电荷量也就越大。通过第1节的分析可知，基于电感储能的均衡电路的均衡电流的关系为

其中，在电感参数、开关频率和占空比不变的情况下，电池电压决定了均衡电流的大小。优化后的均衡电路不仅可以使电荷在相邻的电池间传递，同时通过控制开关电感模块，可实现电荷在不相邻电池在任意电池组间的传递，减少了电荷转移的步数，实现电池组的快速均衡，以电池Bm和Bn为例，分析3种不同均衡电路的转移特性如表2所示。

表2　3种不同的均衡电路电荷转移特性Tab.2 Performance of charge transfer in different balancing circuits

由表2可知，优化均衡电路相较之前的电路，在任意的2节或2组电池间可实现电荷的直接转移，在均衡电流不变的情况下，转移的步数越少，电池组的均衡速度越快。以n节电池为例，电荷在相邻电池间的转移的概率为

由式（2）可知，当电池数量较大时，电荷在不相邻的电池间转移的概率大于相邻电池间的转移。优化均衡电路可以有效地节约电池转移的步数，实现电池组的快速均衡。电路损耗是均衡电路的重要因素，它主要包括了：开关损耗Psw、电感损耗PL等，即

则均衡电路的效率η为

但整个电池组的均衡效率取决于电荷传递的步数，即

因此，3种不同的电感型储能型的均衡电路中，在Buck-Boost均衡基本子电路相同的情况下，电池组中电荷需要传递的步数和均衡电路决定了均衡电路的效率。由表2可知，优化均衡电路减少了电荷转移的平均步数，可以提高均衡电路的整体效率。

3　实验分析

通过以上理论分析可知，优化后的均衡电路相较于之前的2种均衡电路，在提高均衡速度和效率的基础上，简化了电路复杂的控制性，实现了电池组均衡电路的模块化。

为验证以上分析，本文基于新加坡淡马锡理工学院清洁能源中心的某微型电动车锂离子电池组，分别进行了6节电池在3种均衡电路和不均衡的均衡实验，其测试平台如图7所示。其中，三种均衡策略均以开路电压作为判断依据，当两节电池电压或两组电池电压平均值差为20 mV时，由微处理器产生信号，控制均衡电路工作。

图7　某微型电动汽车测试平台Fig.7 The tested electric vehicle platform

其中，不同的电池组中的初始最大电压差值为117～120 mV，在电动车实际工况下运行2 h中，各单体电池电压参数由外置ADC模块采集并传送给微处理器，经处理后得到的开路电压作为均衡电路的判断依据。图7为4种情况下的电动车LiFePO4电池组电压曲线，其电压曲线由移动平均滤波（moving average filter）算法处理。由图8（a）可知，在不做任何均衡的情况下，LiFePO4电池组的不一致性会随着充放电而加剧，进一步地降低电池组的可用容量；由图8（b）、（c）和（d）可知，优化后的Buck-Boost均衡电路与原始Buck-Boost电路相比，提高了27%的均衡速度，与电池分组的均衡电路相比，提高了4.17%的均衡速度，有效地提高了电池的均衡速度。由于电池的开路电压和SOC存在趋势上的一致关系，因此为了验证不同均衡策略的效率，分别计算了4组电池组在工作前和工作2 h静置后的开路电压平均值和对应的标准差，如表3所示。

图8　电动汽车电池组均衡实验Fig.8 Electrical vehicle cells balancing test

表3　电池组开路电压平均值及标准差Tab.3 Average values and standard deviation of cells open circuit voltage

由表3可知，尽管均衡电路在运行中消除了电池的不一致性，但也消耗了部分电池电荷，相比于电池组不做均衡处理时，电池组的平均开路电压减小。与其他2种均衡电路相比，优化后的Buck-Boost均衡电路2 h后的平均开路电压最高，减少了均衡的损耗，提高了均衡效率。

3　结语

本文的主要目的是解决锂离子电池组的不一致性。通过比较不同的均衡电路，为提高均衡电路的速度和效率，提出了一种基于电压均衡的优化的Buck-Boost均衡电路。通过对比分析和实验验证，表明了优化后的均衡电路在原Buck-Boost均衡电路的基础上，减少了开关数量，提高了均衡速度和均衡效率，有效的改善了均衡性能。

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Design on Balancing Circuits for LiFePO4Battery Stacks in Electric Vehicles

LYU Hang1，2，LIU Chengzhi1
（1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Clean Energy Research Center，Temasek Polytechnic，Singapore 529757，Singapore）

To optimize and improve the performances of balancing system for LiFePO4battery stacks in electric vehicles，this paper proposes a new balancing topology based on a well known Buck-Boost circuit，which can reduce the number of switches，balancing time and losses. The switch inductance modules are substitute for inductors，which overcome the disadvantages of traditional balancing circuit by controlling the relay in modules. It can limberly change the structure of circuit，and decrease the average step of chare transfer. The comparative and experimental results of balancing operation of a pack of six cells in electric vehicle show that the optimized Buck-Boost circuit reduces the number of switches，improves the balancing speed 27%and balancing efficiency.

LiFePO4battery stack；Buck-Boost balancing circuit；number of switches；balancing speed；balancing efficiency

吕航

2015-07-30

吕航（1990-），男，通信作者，硕士研究生，研究方向：锂电池能量管理系统、电动汽车，E-mail：march_lh@sina.com。

刘承志（1963-），男，硕士，副教授，研究方向：继电保护，E-mail：lcz2928@163. com。