吳良恕，張勁松，王 亮

(1.安徽理工大學(xué) 力學(xué)與光電物理學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.淮南礦用電子技術(shù)研究所，安徽 淮南 232008)

現(xiàn)今，磷酸鐵鋰電池在新能源汽車、礦用大功率設(shè)備以及風(fēng)力、光伏等可再生能源發(fā)電電池儲(chǔ)能系統(tǒng)中有著極其重要的作用。相比于其他鋰離子電池而言，磷酸鐵鋰電池能成為最具吸引力的電池之一是因?yàn)槠溆兄芰棵芏雀?，穩(wěn)定性好和自放電效率低等優(yōu)點(diǎn)[1]。然而，由于大多數(shù)應(yīng)用設(shè)備需要在高壓條件下進(jìn)行工作，因此需要將多個(gè)鋰離子電池進(jìn)行串聯(lián)連接來達(dá)到所需要的電壓水平。串聯(lián)后的電池組可視為一個(gè)高電壓大電池，能夠更方便的去進(jìn)行充電和放電[2]。但由于目前的制作工藝還未達(dá)到較高水準(zhǔn)以及原材料材質(zhì)的不均勻，各單體電池的容量和內(nèi)阻存在一定差異，在充放電過程中，容量和內(nèi)阻的不同會(huì)導(dǎo)致電池飽和和消耗快慢的不同[3]。若不對(duì)電池組內(nèi)的單體電池進(jìn)行均衡管理，隨著時(shí)間的推移和充放電循環(huán)次數(shù)的增加，電池間各參數(shù)的不一致性問題將會(huì)日益嚴(yán)重，這對(duì)整個(gè)電池組的安全和壽命都是極其不利的[4]。

從耗能角度定義，鋰電池均衡可分為能量耗散型均衡和非能量耗散型均衡，即被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡，這也是目前電池均衡的兩大主要研究方向。被動(dòng)均衡方案是通過分流電阻器將較高SOC電池的過量電荷消耗掉，直到它們的SOC與電池組中的低SOC電池相匹配。多余的能量以熱能的形式被耗散，均衡電流通常?10 mA/A·h[5]。被動(dòng)均衡具有電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、成本低、易控制、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但其均衡時(shí)間過長，電池組難以進(jìn)行快速均衡，并且由于多余的能量被轉(zhuǎn)化成了熱能對(duì)電池產(chǎn)生不利影響，造成電池組的可用容量減少，還需要額外的熱管理來處理分流電阻上的熱量，增加了電池組的溫度管理難度[6-7]。主動(dòng)均衡主要是指通過控制開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路來實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移，通過儲(chǔ)能元件實(shí)現(xiàn)高低電壓電池之間的能量轉(zhuǎn)移，具有均衡速度快、能量耗散低的優(yōu)點(diǎn)[8]。但主動(dòng)均衡往往有著比較復(fù)雜的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制算法，隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展和均衡電路的優(yōu)化，均衡所使用的成本和功耗可以大大降低，主動(dòng)均衡策略將得到更廣泛的應(yīng)用[9]。目前均衡研究方案有基于Buck-Boost雙層能量轉(zhuǎn)換器法[10]、級(jí)聯(lián)全橋多層變換器法[11]、Ramp轉(zhuǎn)換法[12]和新的Buck-Boost均衡電路法等[13-14]。

在傳統(tǒng)Buck-Boost電路的工作原理基礎(chǔ)上，采用了一種新的以Buck-Boost電路為底層和中間層以及最高層采用反激式變壓器轉(zhuǎn)換電路的多層雙單元混合式主動(dòng)均衡樹拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，并對(duì)所提出的均衡電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，可以按照預(yù)期要求快速有效地實(shí)現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移。

1 多層混合主動(dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)

文章設(shè)計(jì)的多層雙單元混合均衡樹拓?fù)涫疽鈭D(見圖1)。B1-Bn為n節(jié)磷酸鐵鋰電池，Cm,i為第m層第i個(gè)Buck-Boost均衡變換器，頂層Am,1為反激式變壓器均衡變換器。當(dāng)m與n之間滿足最佳關(guān)系n=2m時(shí)，頂層Am,1設(shè)置為雙端單繞組反激式變壓器。

圖1 多層雙單元混合均衡樹拓?fù)涫疽鈭D

以16節(jié)電池為例，總體均衡共分為4層，前3層均采用的是基于電感均衡的Buck-Boost均衡電路，第4層采用的是雙向反激式變壓器均衡電路。相比于傳統(tǒng)由單節(jié)最高能量電池向最低能量電池傳遞的Buck-Boost均衡電路而言，這種結(jié)構(gòu)可以在不同層之間同時(shí)傳遞能量，因此傳遞能量速度更快，所需要的周期更短。

當(dāng)單體電池?cái)?shù)目為2m個(gè)時(shí)，在均衡過程中，將兩節(jié)電池(如B1-B2)作為一個(gè)雙單元整體，內(nèi)部通過Buck-Boost均衡來實(shí)現(xiàn)底層兩節(jié)單體間的能量平衡，然后再將此雙單元整體作為下一個(gè)均衡單元，用第二層均衡器實(shí)現(xiàn)四節(jié)電池(如B1B2-B3B4)間的均衡，以此類推，第i層均衡器可以實(shí)現(xiàn)2i節(jié)電池之間的均衡。

若在整個(gè)電池組中，只有首尾兩節(jié)單體電池(即B1和Bn)達(dá)到需要均衡的條件時(shí)，在多層混合均衡的情況下，能量傳遞所經(jīng)過的所有均衡器數(shù)目為2m-1個(gè)；此時(shí)傳統(tǒng)單層Buck-Boost均衡電路工作時(shí)所需要經(jīng)過的均衡器數(shù)目為n-1個(gè)。此時(shí)n-1=2m-1≥2m-1，當(dāng)m≥5時(shí)，對(duì)首尾待均衡的單體電池而言，多層雙單體比傳統(tǒng)單層所需要經(jīng)歷的均衡器的數(shù)目少的多?？芍鄬与p單體混合均衡電路在很大程度上降低了能量的消耗，提高了轉(zhuǎn)換的效率。

1.1 雙單元Buck-Boost均衡電路

分別以第一層2節(jié)單體電池和第二層4節(jié)單體電池實(shí)現(xiàn)能量平衡為例來說明雙單元間的Buck-Boost均衡電路的工作原理,2節(jié)電池均衡電路圖(見圖2)。

圖2 2節(jié)電池均衡電路圖

如圖2(a)所示，假設(shè)VB1-VB2?C(C為設(shè)定壓差常數(shù))，輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平時(shí)，控制開關(guān)管Q1導(dǎo)通，此時(shí)開關(guān)管Q2處于斷開狀態(tài)，形成B1、Q1、L1回路，B1通過Q1給電感L1提供能量；輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)為低電平時(shí)，開關(guān)管Q1斷開，如圖2(b)所示，在續(xù)流二極管作用下，B2、D2、L1形成新的回路，電感L1的能量將傳遞給B2，其中PWM

控制信號(hào)占空比D=0.5，電感電流始終工作于斷續(xù)模式(DCM)，最終實(shí)現(xiàn)B1與B2能量的平衡。

將B1與B2這種兩兩放在一起均衡的模式稱為雙單元均衡，同理，當(dāng)有4節(jié)單體電池需要實(shí)現(xiàn)均衡時(shí)(見圖3)，將B1B2視作一個(gè)整體單元，B3B4視作另一個(gè)整體單元，單元與單元之間可以實(shí)現(xiàn)下一個(gè)雙單元均衡。

如圖3(a)所示，若檢測到(VB1+VB2)/2-(VB3+VB4)/2?C，則第二層均衡開啟，PWM信號(hào)控制開關(guān)管Q5導(dǎo)通，B1B2通過Q5給電感L3提供能量；然后電流通過二極管D6續(xù)流形成閉合回路，如圖3(b)所示，將電感L3中的能量轉(zhuǎn)移到B3B4構(gòu)成的單元整體，最終實(shí)現(xiàn)B1B2和B3B4這兩個(gè)單元間的能量平衡。

圖3 4節(jié)電池均衡電路圖

當(dāng)電池組內(nèi)串聯(lián)的電池?cái)?shù)量較多時(shí)，以此雙單元均衡模式類推，形成以單元和單元之間的二分法來均衡整個(gè)電池組內(nèi)的單體。與傳統(tǒng)Buck-Boost電路只能均衡兩相鄰之間的單體相比，多層雙單元二分法主動(dòng)均衡更能快速高效地實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組內(nèi)單體間的均衡。

1.2 反激式變壓器均衡電路

變壓器均衡的優(yōu)點(diǎn)是均衡電流大，均衡速度快，能量傳輸損耗小。頂層采用反激式變壓器均衡電路，電路圖(見圖4)。

圖4 反激式變壓器均衡電路

多繞組變壓器需要為每個(gè)單元分開繞組，在具有許多單元的堆疊中(典型系統(tǒng)可能具有數(shù)百個(gè)串聯(lián)的電池單元)，變壓器的設(shè)計(jì)變得麻煩且構(gòu)造復(fù)雜。用經(jīng)典的雙繞組變壓器代替多繞組變壓器將大大簡化磁性元件的復(fù)雜性。

如圖4(a)所示，將B1-Bn視為一個(gè)整體單元，單元內(nèi)采用的是Buck-Boost雙單元均衡策略，Bn+1-B2n作為另一個(gè)要均衡的整體單元。當(dāng)(VB1+VB2+…+VBn)/n-(VBn+1+VBn+2+…+VB2n)/n?C時(shí)，頂層變壓器均衡開啟，使能開關(guān)管Q11的PWM驅(qū)動(dòng)，當(dāng)Q11導(dǎo)通時(shí)，B1-Bn電池組的能量存儲(chǔ)在變壓器中，然后在開關(guān)管Q11關(guān)斷時(shí)，再從變壓器轉(zhuǎn)移到另一半Bn+1-B2n電池組，如圖4(b)所示。

通過控制開關(guān)管Q11和Q21的導(dǎo)通與關(guān)斷，最終實(shí)現(xiàn)兩個(gè)單元的能量平衡。

2 均衡控制策略

2.1 E-SOC

電池模型是對(duì)通過Matlab對(duì)20 Ah磷酸鐵鋰電池充放電過程E-SOC曲線進(jìn)行最小二乘法擬合得到的高次多項(xiàng)式函數(shù)E=f(SOC),電池的電動(dòng)勢變化通過受控恒壓源表示，并且受SOC控制，電池的充放電通過對(duì)電流積分的累加來模擬，磷酸鐵鋰電池充放電過程的E-SOC曲線(見圖5)。

圖5 E-SOC曲線

2.2 均衡控制流程

以16節(jié)單體電池，4層均衡控制為例。通過以單元間的壓差作為判斷均衡開啟與否的條件，同時(shí)進(jìn)行電池單元間的多層混合均衡。具體流程圖(見圖6)。

圖6 多層混合主動(dòng)均衡控制流程

第1層均衡：設(shè)第i節(jié)單體電池的電壓為Vi，通過比較電壓的差值，檢測第一層內(nèi)雙單元間電池是否達(dá)到平衡。設(shè)置均衡開啟的條件為壓差>10 mv，即當(dāng)|V2i+2-V2i+1|>10 mv時(shí)，i=0，1，……，7，控制對(duì)應(yīng)雙單元間開關(guān)管的閉合和斷開，由電感儲(chǔ)存和釋放能量來實(shí)現(xiàn)2節(jié)單體電池的能量平衡。

第2層均衡：將第1層內(nèi)雙單元整體電壓設(shè)為Vj，當(dāng)|V2j+2-V2j+1|/2>10 mv時(shí)，j=0，1，2，3，對(duì)應(yīng)第二層內(nèi)均衡器開啟，來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)雙單元間4節(jié)單體電池的能量平衡。

第3層均衡：將第2層內(nèi)雙單元整體電壓設(shè)為Vk，當(dāng)|V2k+2-V2k+1|/4>10 mv時(shí)，k=0，1，對(duì)應(yīng)第二層內(nèi)均衡器開啟，來實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)雙單元間8節(jié)單體電池的能量平衡。

第4層均衡：將整體16節(jié)電池共分為兩組，每組8節(jié)，此時(shí)設(shè)單組電壓為Vp，當(dāng)|V2p+2-V2p+1|/8?10 mv時(shí)，p=0，最高層反激式變壓器均衡開啟，來實(shí)現(xiàn)16節(jié)單體電池的能量平衡。

當(dāng)所有層級(jí)的雙單元間壓差均小于設(shè)置的均衡條件時(shí)，達(dá)到能量平衡要求，均衡結(jié)束。

3 仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證文章提出的多層雙單元混合主動(dòng)均衡樹拓?fù)潆娐返木庑Ч?，在Matlab/Simulink中搭建多節(jié)電池的均衡電路仿真模型。單體電池的容量設(shè)置為20 Ah，標(biāo)稱電壓為3.2 V。通過給定初始SOC的不同來設(shè)置初始電壓的不同。

電池均衡模塊Simulink仿真結(jié)構(gòu)(見圖7)，以4節(jié)單節(jié)電池分為兩層主動(dòng)混合均衡來說明仿真電路構(gòu)造和控制原理。在每個(gè)雙單元間設(shè)置了電壓比較器，在設(shè)定的條件下判斷兩單元是否達(dá)到了需要的均衡條件，然后通過開關(guān)來控制“0”和“1”的狀態(tài)，“1”表示需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移，“0”則表示不需要進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移。

圖7 Simulink均衡仿真結(jié)構(gòu)圖

如圖8所示，仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比了4節(jié)串聯(lián)單體電池分別在傳統(tǒng)單層Buck-Boost均衡電路和多層混合均衡電路下的SOC均衡曲線圖。圖8(a)為傳統(tǒng)單層Buck-Boost均衡電路SOC曲線圖，圖8(b)為多層混合均衡電路SOC曲線圖。

初始荷電狀態(tài)分別設(shè)置為SOCB1=95%,SOCB2=85%,SOCB3=84%,SOCB4=90%。結(jié)果表明，在均衡效率相差不大的情況下，均衡時(shí)間由原來的4 000 s減少到了3 200 s，縮短了20%。

16節(jié)磷酸鐵鋰電池多層混合主動(dòng)均衡前后的SOC和電壓的數(shù)據(jù)(見表1)，均衡前的電壓標(biāo)準(zhǔn)差為0.091 261，均衡后的電壓標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 033，16節(jié)磷酸鐵鋰電池多層混合主動(dòng)均衡前后的電壓差異性減少了88.35%。SOC極差由無均衡時(shí)的16%減少到了0.2%，電壓極差由無均衡時(shí)的0.285 V減少到了0.004 V。

16節(jié)電池均衡仿真曲線(見圖9)，驗(yàn)證了均衡電路的均衡效果。

圖8 4節(jié)單體電池均衡曲線圖

電池序號(hào)均衡前SC/%電壓/V均衡后SC/%電壓/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

圖9 16節(jié)電池均衡仿真曲線

由仿真結(jié)果可知，各層級(jí)間的雙單元均衡在時(shí)間上是同步進(jìn)行的，經(jīng)過3 200 s的時(shí)間，在Buck-Boost和反激式變壓器電路共同均衡作用下，最終能夠?qū)崿F(xiàn)所有單體電池間的SOC基本一致，達(dá)到了預(yù)期的均衡效果。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有的鋰離子電池組均衡結(jié)構(gòu)方法的基礎(chǔ)上，采用了一種以雙單元作為均衡整體，構(gòu)建多層級(jí)混合主動(dòng)均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在頂層使用反激式變壓器均衡電路，其它層級(jí)使用Buck-Boost均衡電路相結(jié)合的均衡設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該均衡方案的均衡原理、結(jié)構(gòu)以及控制流程進(jìn)行了分析。仿真結(jié)果表明，多層混合主動(dòng)均衡樹拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)分案能夠在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多節(jié)鋰電池的快速均衡。