磷酸铁锂电池均衡技术的研究

高鹏飞，晋贞贞

（1.葛洲坝集团电力有限公司，湖北宜昌 443002；2.广东电网有限责任公司清远清城供电局，广东清远 511500）

引言

磷酸铁锂电池作为新能源发电、电动汽车以及调频领域应用最广泛的储能电池，具有体积重量小、循环寿命长、安全性能高、充放电电流大、能量密度大等诸多优点[1]。但是，磷酸铁锂单体电池的标称电压较低不能满足高电压、大功率容量设备的需要，因此，在工程实践中，将大量的单体电池串联、并联或者混联来满足设备对电压和电流的需求。在电池组的使用过程中由于受到不同充放电倍率、自放电、环境温度等因素的影响，致使各单体电池的剩余容量、电压不尽相同[2]，即会出现电池荷电状态不一致的问题。不一致性问题的出现会导致电池组的性能下降，使用寿命逐渐衰减，因此对储能电池的不一致性分析显得尤为重要。根据均衡过程中能量消耗和转移方式的不同，将均衡方法分成两大类：耗能型均衡和非耗能型均衡[3,4]。耗能型均衡是在电池充电过程中完成的，当某个单体电池的电压或SOC高于其他电池时，闭合该电池的并联开关进行分流，直到它与其他电池电压或SOC趋于一致，再通过均衡管理模块断开并联开关，停止对电池的分流。耗能型均衡电路具有控制电路结构简单、易操作等优点，但是，该均衡技术由于并联分流电阻较小使得整个均衡过程较长，均衡效率较低。并且在分流电阻中将多余的能量转化为热量，从耗时和节能角度来看，不是一种有效的均衡方式；非耗能型电池组均衡控制主要是将容量较高的电池能量存储在电容或电感中，然后将能量传给容量较低的电池,从而实现各电池单体间能量的均衡。根据储能元件的不同，电池组非耗能型均衡控制主要包括电容均衡法、变压器均衡法和电感均衡法[3-6]。

为了进一步提高电池组均衡控制过程的效率、降低均衡过程中能量的损耗。本研究在传统电感双向相邻均衡电路的基础上，整合相邻比值均衡法的优缺点，提出一种新型均衡控制电路和控制策略。最后，通过对比原有均衡电路和新型均衡电路在静置状态下和动态工况下的仿真结果，进一步验证了新型均衡电路在均衡效率和能量损耗方面的优越性。

1 改进型电池组电感均衡电路

电感均衡控制是通过储能电感以电流的形式在电池间进行能量传递的，最终使各单体电池间荷电状态达到一致。其拓扑结构如图1所示。该均衡电路是基于优化的Buck-Boost型均衡电路得到的，旨在实现各相邻电池单体间能量的双向传递。假设电池B1的能量高于电池B2，则一个均衡模块内均衡过程可分以下三个阶段：

图1 电感双向均衡电路图

阶段1(B1放电阶段)：开关M1-1闭合，对电感L1充电，电感电流峰值的大小取决于开关的导通的时间；

阶段2(电池B2充电阶段)：开关M1-1断开，电感中存储的能量通过二极管D1-2转移到电池B2；

阶段3(电感L1消磁阶段)对电感L1进行消磁，使电感恢复到初始状态，避免电感在均衡中能量积累达到磁饱和。在电池B2充电和电感L1消磁的过程中，L1与B2构成了LC串联振荡电路，电感两端并联小电阻的作用主要是为了消除振荡引起的不利影响。

电感型双向均衡控制电路与电容型均衡电路相比，该均衡电路是基于电感以电流的形式来进行能量传递，即使在电压差值较小的情况下也能进行能量转移；相较于变压器均衡控制电路，该均衡电路体积小重量轻，对均衡电流的控制能力强。该均衡方法可以在同一时间内对多个单体电池进行均衡，均衡效率得到了有效的提升。

2 改进型电池组电感均衡控制策略

与传统电感均衡电路相比，该型均衡电路中使用的均衡模块数量依然是n-1个，在均衡模块没有增加的情况下均衡效率和均衡速度得到了明显的提高；并且该型拓扑易于扩展，电池组以偶数个的形式加减单体电池数量。由于电池组的均衡是靠相邻电池间能量转移完成的，随着单体电池个数的增加势必会引起均衡时间加长，为了解决这一问题，可以将电池组分若干段均衡，段内均衡时间减少、效率提高。段间均衡时可将段内的几个单体电池看作一节单体电池，采用相同的均衡方式同步进行。

电池组的各单体间能量的不一致性和离散程度需要选用量化指标衡量。本研究以磷酸铁锂电池荷电状态(SOC)作为均衡变量[7-10]，以各单体电池SOC的均方差r表示电池组的能量的离散程度，用相邻电池间SOC的差值ΔSOC表示电池组各单体电池间能量的差异。各相关变量的定义如下：

磷酸铁锂电池荷电状态均方差r：

磷酸铁锂电池荷电状态差值：

式中，n为电池节数，i=1,2,3,...,n-1。当电池组的均方差r大于启动阈值ε时启动均衡，再对相邻电池间ΔSOC大于均衡阈值θ进行均衡操作，直到电池组的均值ΔSOC小于阈值θ时停止均衡。电池组的均衡流程如图2所示。

图2 电池组的均衡流程图

以图3四模块改进型电感均衡电路为例，对电池组的一个均衡过程展开详细论述。为便于分析均衡过程，现做出如下假设：（1）四节单体电池的荷电状态SOC1>SOC2>SOC3>SOC4；（2）荷电状态均方差大于启动均衡阈值ε，相邻电池间的差值ΔSOC大于均衡阈值θ。

图3 相邻四节单体电池的均衡电路图

均衡过程分别如下：（1）均衡模块1通过高频脉冲控制开关管M1-1的通断，将B1中的电量通过电感L1和二极管D1-2转移到B2中，直到两电池间的差值ΔSOC小于阈值θ，均衡过程结束；（2）均衡模块2是(SOC1+SOC2)与(SOC3+SOC4)之差大于均衡阈值θ时，通过高频脉冲控制M2-1的通断，将B1和B2中的电量通过电感L2和二极管D2-2转移到B3和B4中，直到(SOC1+SOC2)与(SOC3+SOC4)之差小于均衡阈值θ时，均衡过程结束；（3）均衡模块3通过高频脉冲控制M3-1的通断，将B3中的电量通过电感L3和二极管D3-2转移到B4中，直到两电池间的差值ΔSOC小于阈值θ，均衡过程结束。

在均衡模块的工作过程中为了避免电感的磁饱和现象，一般将均衡电路中的电感工作在断续（DCM）模式，在每个高频均衡周期内电感给低电量电池充完电后，确保电感电流下降为零。

3 磷酸铁锂电池组均衡仿真模型

以六节电池为例,采用相邻比值法的均衡策略，对比原均衡电路和改进型均衡电路的均衡效率和均衡时间，进而验证所提改进的均衡电路的有效性，具体仿真参数如表1所示。

表1 磷酸铁锂电池组仿真电路参数

3.1 电池组在静置阶段的均衡仿真结果验证

电池组在静置阶段下分三组进行对比验证，第一组是1个单体电池的SOC较低，其他5个单体电池的SOC较高且分布较均匀；第二组是1个单体电池的SOC较高，其他5个单体电池的SOC较低且分布较均匀；第三组是6节单体电池的SOC分布均匀。

第一组六节单体电池的SOC分别为0.65，0.64，0.57，0.61，0.63，0.62，原均衡电路和改进型均衡电路仿真结果如图4和图5所示。

图4 基于原均衡电路的仿真图

图5 基于改进后的均衡电路仿真图

由图4可知，原均衡电路的均衡时间为1827 s，均衡后的SOC平均值为0.617 7，容量转移效率为83.69%；由图5可知改进型均衡电路均衡时间为919 s，均衡后的SOC平均值为0.619 2，容量转移效率为92.41%。改进型均衡电路均衡时间缩短了908 s，均衡速度提高了49.7%，容量转移效率提高了8.72%。

第二组六节单体电池的SOC分别为0.71，0.66，0.67，0.64，0.65，0.63，原均衡电路和改进型均衡电路仿真结果如图6和图7所示。

图6 基于原均衡电路的仿真图

图7 基于改进后的均衡电路仿真图

由图6可知原均衡电路的均衡时间为2128.5 s，均衡后的SOC平均值为0.657 5，容量转移效率为77.78%；由图7可知改进型均衡电路均衡时间为908.5 s，均衡后的SOC平均值为0.659 2，容量转移效率为92.31%。基于修改后的均衡电路均衡时间缩短了1220 s，均衡速度提高了57.3%，容量转移效率提高了14.53%。

第三组六节单体电池的SOC分别为0.43，0.47，0.48，0.44，0.45，0.46，原均衡电路和改进型均衡电路仿真结果如图8和图9所示。

图8 基于原均衡电路的仿真图

图9 基于改进后的均衡电路仿真图

由图8可知原均衡电路的均衡时间为925.5 s，均衡后的SOC平均值为0.453 4，容量转移效率为80.72%；由图9可知改进型均衡电路均衡时间为745 s，均衡后的SOC平均值为0.454 1，容量转移效率为88.68%。基于修改后的均衡电路均衡时间缩短了180.5 s，均衡速度提高了19.5%，容量转移效率提高了7.96%。

由以上均衡结果分析可知，电池组在静置状态下，改进型均衡电路的均衡时间和容量效率都有所改善，验证了该均衡电路的准确性和有效性。

3.2 电池组在动态工况下的均衡仿真结果验证

在自定义工况电流下六节单体电池的SOC分别为0.91，0.89，0.87，0.88，0.90，0.92，原均衡电路和改进型均衡电路仿真结果如图10和图11所示。

图10 基于原均衡电路的仿真图

图11 基于改进后的均衡电路仿真图

由图10可知在动态工况电流下，原均衡电路的均衡时间为1067 s；由图11可知改进型均衡电路均衡时间为536 s。改进型均衡电路均衡时间缩短了531 s，均衡速度提高了49.8%。均衡速度的提高可以避免电池组的过充和过放现象，提高了电池组的使用容量，延长了电池组的使用寿命。

4 总结

通过对比分析电池组在静置下SOC的三种分布情况和自定义工况下的均衡结果，进一步验证了改进后的均衡电路在均衡时间和均衡效率的有效性和优越性。