磷酸铁锂电池组多层混合主动均衡电路设计

吴良恕，张劲松，王 亮

(1.安徽理工大学 力学与光电物理学院，安徽 淮南 232001；2.淮南矿用电子技术研究所，安徽 淮南 232008)

现今，磷酸铁锂电池在新能源汽车、矿用大功率设备以及风力、光伏等可再生能源发电电池储能系统中有着极其重要的作用。相比于其他锂离子电池而言，磷酸铁锂电池能成为最具吸引力的电池之一是因为其有着能量密度高，稳定性好和自放电效率低等优点[1]。然而，由于大多数应用设备需要在高压条件下进行工作，因此需要将多个锂离子电池进行串联连接来达到所需要的电压水平。串联后的电池组可视为一个高电压大电池，能够更方便的去进行充电和放电[2]。但由于目前的制作工艺还未达到较高水准以及原材料材质的不均匀，各单体电池的容量和内阻存在一定差异，在充放电过程中，容量和内阻的不同会导致电池饱和和消耗快慢的不同[3]。若不对电池组内的单体电池进行均衡管理，随着时间的推移和充放电循环次数的增加，电池间各参数的不一致性问题将会日益严重，这对整个电池组的安全和寿命都是极其不利的[4]。

从耗能角度定义，锂电池均衡可分为能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡，即被动均衡和主动均衡，这也是目前电池均衡的两大主要研究方向。被动均衡方案是通过分流电阻器将较高SOC电池的过量电荷消耗掉，直到它们的SOC与电池组中的低SOC电池相匹配。多余的能量以热能的形式被耗散，均衡电流通常⟨10 mA/A·h[5]。被动均衡具有电路拓扑结构简单、成本低、易控制、易实现等优点，但其均衡时间过长，电池组难以进行快速均衡，并且由于多余的能量被转化成了热能对电池产生不利影响，造成电池组的可用容量减少，还需要额外的热管理来处理分流电阻上的热量，增加了电池组的温度管理难度[6-7]。主动均衡主要是指通过控制开关驱动电路来实现电荷的转移，通过储能元件实现高低电压电池之间的能量转移，具有均衡速度快、能量耗散低的优点[8]。但主动均衡往往有着比较复杂的电路拓扑结构和控制算法，随着集成电路技术的发展和均衡电路的优化，均衡所使用的成本和功耗可以大大降低，主动均衡策略将得到更广泛的应用[9]。目前均衡研究方案有基于Buck-Boost双层能量转换器法[10]、级联全桥多层变换器法[11]、Ramp转换法[12]和新的Buck-Boost均衡电路法等[13-14]。

在传统Buck-Boost电路的工作原理基础上，采用了一种新的以Buck-Boost电路为底层和中间层以及最高层采用反激式变压器转换电路的多层双单元混合式主动均衡树拓扑电路结构，并对所提出的均衡电路进行仿真验证。仿真结果表明，可以按照预期要求快速有效地实现电池间的能量转移。

1 多层混合主动均衡电路结构

文章设计的多层双单元混合均衡树拓扑示意图(见图1)。B1-Bn为n节磷酸铁锂电池，Cm,i为第m层第i个Buck-Boost均衡变换器，顶层Am,1为反激式变压器均衡变换器。当m与n之间满足最佳关系n=2m时，顶层Am,1设置为双端单绕组反激式变压器。

图1 多层双单元混合均衡树拓扑示意图

以16节电池为例，总体均衡共分为4层，前3层均采用的是基于电感均衡的Buck-Boost均衡电路，第4层采用的是双向反激式变压器均衡电路。相比于传统由单节最高能量电池向最低能量电池传递的Buck-Boost均衡电路而言，这种结构可以在不同层之间同时传递能量，因此传递能量速度更快，所需要的周期更短。

当单体电池数目为2m个时，在均衡过程中，将两节电池(如B1-B2)作为一个双单元整体，内部通过Buck-Boost均衡来实现底层两节单体间的能量平衡，然后再将此双单元整体作为下一个均衡单元，用第二层均衡器实现四节电池(如B1B2-B3B4)间的均衡，以此类推，第i层均衡器可以实现2i节电池之间的均衡。

若在整个电池组中，只有首尾两节单体电池(即B1和Bn)达到需要均衡的条件时，在多层混合均衡的情况下，能量传递所经过的所有均衡器数目为2m-1个；此时传统单层Buck-Boost均衡电路工作时所需要经过的均衡器数目为n-1个。此时n-1=2m-1≥2m-1，当m≥5时，对首尾待均衡的单体电池而言，多层双单体比传统单层所需要经历的均衡器的数目少的多。可知多层双单体混合均衡电路在很大程度上降低了能量的消耗，提高了转换的效率。

1.1 双单元Buck-Boost均衡电路

分别以第一层2节单体电池和第二层4节单体电池实现能量平衡为例来说明双单元间的Buck-Boost均衡电路的工作原理,2节电池均衡电路图(见图2)。

图2 2节电池均衡电路图

如图2(a)所示，假设VB1-VB2⟩C(C为设定压差常数)，输出PWM驱动信号为高电平时，控制开关管Q1导通，此时开关管Q2处于断开状态，形成B1、Q1、L1回路，B1通过Q1给电感L1提供能量；输出PWM驱动信号为低电平时，开关管Q1断开，如图2(b)所示，在续流二极管作用下，B2、D2、L1形成新的回路，电感L1的能量将传递给B2，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)，最终实现B1与B2能量的平衡。

将B1与B2这种两两放在一起均衡的模式称为双单元均衡，同理，当有4节单体电池需要实现均衡时(见图3)，将B1B2视作一个整体单元，B3B4视作另一个整体单元，单元与单元之间可以实现下一个双单元均衡。

如图3(a)所示，若检测到(VB1+VB2)/2-(VB3+VB4)/2⟩C，则第二层均衡开启，PWM信号控制开关管Q5导通，B1B2通过Q5给电感L3提供能量；然后电流通过二极管D6续流形成闭合回路，如图3(b)所示，将电感L3中的能量转移到B3B4构成的单元整体，最终实现B1B2和B3B4这两个单元间的能量平衡。

图3 4节电池均衡电路图

当电池组内串联的电池数量较多时，以此双单元均衡模式类推，形成以单元和单元之间的二分法来均衡整个电池组内的单体。与传统Buck-Boost电路只能均衡两相邻之间的单体相比，多层双单元二分法主动均衡更能快速高效地实现整个电池组内单体间的均衡。

1.2 反激式变压器均衡电路

变压器均衡的优点是均衡电流大，均衡速度快，能量传输损耗小。顶层采用反激式变压器均衡电路，电路图(见图4)。

图4 反激式变压器均衡电路

多绕组变压器需要为每个单元分开绕组，在具有许多单元的堆叠中(典型系统可能具有数百个串联的电池单元)，变压器的设计变得麻烦且构造复杂。用经典的双绕组变压器代替多绕组变压器将大大简化磁性元件的复杂性。

如图4(a)所示，将B1-Bn视为一个整体单元，单元内采用的是Buck-Boost双单元均衡策略，Bn+1-B2n作为另一个要均衡的整体单元。当(VB1+VB2+…+VBn)/n-(VBn+1+VBn+2+…+VB2n)/n⟩C时，顶层变压器均衡开启，使能开关管Q11的PWM驱动，当Q11导通时，B1-Bn电池组的能量存储在变压器中，然后在开关管Q11关断时，再从变压器转移到另一半Bn+1-B2n电池组，如图4(b)所示。

通过控制开关管Q11和Q21的导通与关断，最终实现两个单元的能量平衡。

2 均衡控制策略

2.1 E-SOC

电池模型是对通过Matlab对20 Ah磷酸铁锂电池充放电过程E-SOC曲线进行最小二乘法拟合得到的高次多项式函数E=f(SOC),电池的电动势变化通过受控恒压源表示，并且受SOC控制，电池的充放电通过对电流积分的累加来模拟，磷酸铁锂电池充放电过程的E-SOC曲线(见图5)。

图5 E-SOC曲线

2.2 均衡控制流程

以16节单体电池，4层均衡控制为例。通过以单元间的压差作为判断均衡开启与否的条件，同时进行电池单元间的多层混合均衡。具体流程图(见图6)。

图6 多层混合主动均衡控制流程

第1层均衡：设第i节单体电池的电压为Vi，通过比较电压的差值，检测第一层内双单元间电池是否达到平衡。设置均衡开启的条件为压差>10 mv，即当|V2i+2-V2i+1|>10 mv时，i=0，1，……，7，控制对应双单元间开关管的闭合和断开，由电感储存和释放能量来实现2节单体电池的能量平衡。

第2层均衡：将第1层内双单元整体电压设为Vj，当|V2j+2-V2j+1|/2>10 mv时，j=0，1，2，3，对应第二层内均衡器开启，来实现对应双单元间4节单体电池的能量平衡。

第3层均衡：将第2层内双单元整体电压设为Vk，当|V2k+2-V2k+1|/4>10 mv时，k=0，1，对应第二层内均衡器开启，来实现对应双单元间8节单体电池的能量平衡。

第4层均衡：将整体16节电池共分为两组，每组8节，此时设单组电压为Vp，当|V2p+2-V2p+1|/8⟩10 mv时，p=0，最高层反激式变压器均衡开启，来实现16节单体电池的能量平衡。

当所有层级的双单元间压差均小于设置的均衡条件时，达到能量平衡要求，均衡结束。

3 仿真结果

为了验证文章提出的多层双单元混合主动均衡树拓扑电路的均衡效果，在Matlab/Simulink中搭建多节电池的均衡电路仿真模型。单体电池的容量设置为20 Ah，标称电压为3.2 V。通过给定初始SOC的不同来设置初始电压的不同。

电池均衡模块Simulink仿真结构(见图7)，以4节单节电池分为两层主动混合均衡来说明仿真电路构造和控制原理。在每个双单元间设置了电压比较器，在设定的条件下判断两单元是否达到了需要的均衡条件，然后通过开关来控制“0”和“1”的状态，“1”表示需要进行能量转移，“0”则表示不需要进行能量转移。

图7 Simulink均衡仿真结构图

如图8所示，仿真实验对比了4节串联单体电池分别在传统单层Buck-Boost均衡电路和多层混合均衡电路下的SOC均衡曲线图。图8(a)为传统单层Buck-Boost均衡电路SOC曲线图，图8(b)为多层混合均衡电路SOC曲线图。

初始荷电状态分别设置为SOCB1=95%,SOCB2=85%,SOCB3=84%,SOCB4=90%。结果表明，在均衡效率相差不大的情况下，均衡时间由原来的4 000 s减少到了3 200 s，缩短了20%。

16节磷酸铁锂电池多层混合主动均衡前后的SOC和电压的数据(见表1)，均衡前的电压标准差为0.091 261，均衡后的电压标准差为0.001 033，16节磷酸铁锂电池多层混合主动均衡前后的电压差异性减少了88.35%。SOC极差由无均衡时的16%减少到了0.2%，电压极差由无均衡时的0.285 V减少到了0.004 V。

16节电池均衡仿真曲线(见图9)，验证了均衡电路的均衡效果。

图8 4节单体电池均衡曲线图

电池序号均衡前SC/%电压/V均衡后SC/%电压/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

图9 16节电池均衡仿真曲线

由仿真结果可知，各层级间的双单元均衡在时间上是同步进行的，经过3 200 s的时间，在Buck-Boost和反激式变压器电路共同均衡作用下，最终能够实现所有单体电池间的SOC基本一致，达到了预期的均衡效果。

4 结 论

在现有的锂离子电池组均衡结构方法的基础上，采用了一种以双单元作为均衡整体，构建多层级混合主动均衡拓扑结构，在顶层使用反激式变压器均衡电路，其它层级使用Buck-Boost均衡电路相结合的均衡设计方案，并对该均衡方案的均衡原理、结构以及控制流程进行了分析。仿真结果表明，多层混合主动均衡树拓扑的设计分案能够在较短时间内实现多节锂电池的快速均衡。