電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰電池組均衡電路設(shè)計(jì)

呂　航，劉承志

（1．西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031；2.淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心，新加坡529757）

DOI：10.13234/j.issn.2095-2805．2016．1．86中圖分類(lèi)號(hào)：TM 42文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

電動(dòng)汽車(chē)磷酸鐵鋰電池組均衡電路設(shè)計(jì)

呂航1，2，劉承志1

（1．西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031；2.淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心，新加坡529757）

為了優(yōu)化和提升電動(dòng)汽車(chē)中的磷酸鐵鋰電池組均衡系統(tǒng)的性能，在應(yīng)用廣泛的Buck-Boost均衡電路基礎(chǔ)上，提出了一種可減少開(kāi)關(guān)數(shù)量、加快均衡速度和提高效率的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該均衡電路用開(kāi)關(guān)電感模塊替代電感，克服了Buck-Boost均衡電路僅能在相鄰電池間傳遞電荷的缺點(diǎn)，通過(guò)控制電感模塊中的開(kāi)關(guān)繼電器，改變Buck-Boost電路的均衡子電路，減少電荷轉(zhuǎn)移步數(shù)。通過(guò)對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可知，優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路相較于原電路減少了開(kāi)關(guān)數(shù)量，加快了27%的均衡速度和提高了均衡效率。

磷酸鐵鋰電池組；Buck-Boost均衡電路；開(kāi)關(guān)數(shù)量；均衡速度；均衡效率

引言

電池技術(shù)的發(fā)展使其快速地應(yīng)用于各種領(lǐng)域，其中動(dòng)力鋰離子電池對(duì)推進(jìn)新能源汽車(chē)、新能源發(fā)電等的發(fā)展具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值［1］。相較于其他鋰離子電池，磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池具有能量密度高、穩(wěn)定好和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛涉足于電動(dòng)車(chē)的電池應(yīng)用［2］。

但受限于單節(jié)鋰離子電池的電壓和容量特性，通常需要多節(jié)單體電池串并聯(lián)組成動(dòng)力電池組。由于各個(gè)電池的化學(xué)特性不可避免地存在差異，再加上老化、溫度、電流等各種因素的影響，使電池差異性逐漸變大，嚴(yán)重影響電池組容量和電池安全［3］。為解決鋰離子電池組不一致的問(wèn)題，電池管理系統(tǒng)BMS（battery management system）被廣泛地應(yīng)用于動(dòng)力電池組的保護(hù)和優(yōu)化中，電池組的均衡系統(tǒng)作為其重要的子系統(tǒng)是本文的研究重點(diǎn)。

目前，許多學(xué)者針對(duì)均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同角度和深度的設(shè)計(jì)和研究［4，5］，這些均衡策略可分為兩大類(lèi)：能量耗散型和能量轉(zhuǎn)移型。能量耗散型均衡，又稱(chēng)為被動(dòng)均衡，主要把能量高的電池中的電荷在電阻器中消耗，實(shí)現(xiàn)各個(gè)單體電池的平衡。但該均衡方法的均衡電流較小，難以在動(dòng)力電池組中實(shí)現(xiàn)快速均衡；同時(shí)，在電阻中消耗的電荷轉(zhuǎn)化成熱能，增加了電池組的溫度管理難度，降低電池系統(tǒng)的效率。能量轉(zhuǎn)移型均衡，又稱(chēng)為主動(dòng)均衡，主要是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)電路實(shí)現(xiàn)電荷在電池間的轉(zhuǎn)移。相較于被動(dòng)均衡，主動(dòng)均衡的均衡電流可以顯著增大，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了能量在電池組內(nèi)部的轉(zhuǎn)移，增加了電池系統(tǒng)的效率，但其往往伴隨著復(fù)雜的均衡電路和控制算法。陳洋［6］等綜合當(dāng)前串聯(lián)電池組均衡研究有待解決的問(wèn)題，從均衡效率、均衡速度和系統(tǒng)復(fù)雜程度三個(gè)方面分析了不同的主動(dòng)均衡的電路；邱斌斌［7］等基于電動(dòng)汽車(chē)，利用模糊控制策略，調(diào)節(jié)個(gè)均衡充電子模塊的輸出電流，提高了均衡電路的性能；Yi-Hsun Hsieh等［8］基于變壓器模塊，提出了一種高效率，體積小適用性高的均衡策略。

本文在采用電感儲(chǔ)能的均衡電路基礎(chǔ)上，首先回顧了應(yīng)用范圍較廣的Buck-Boost均衡電路拓?fù)涞脑?，控制策略及不足；然后，在文獻(xiàn)［9］的電路基礎(chǔ)上，提出了一種優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路，以開(kāi)關(guān)數(shù)量、均衡時(shí)間T和均衡電路效率η作為判斷依據(jù)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較了優(yōu)化前后均衡電路的性能。

1　均衡電路優(yōu)化

1.1Buck-Boost均衡電路

Buck-Boost均衡電路如圖1所示，通過(guò)電感儲(chǔ)能的特性，將電池的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電感內(nèi)部?jī)?chǔ)能，實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1（a）所示，每?jī)晒?jié)相鄰的電池間有一個(gè)均衡子電路，其中每個(gè)均衡子電路由2個(gè)功率開(kāi)關(guān)管和儲(chǔ)能電感組成。以電荷從電池B1向B2轉(zhuǎn)移為例，其工作原理如圖1（b）所示。

圖1　傳統(tǒng)Buck-Boost均衡電路Fig.1 Traditional Buck-Boost balancing circuit

MOS管Qu1開(kāi)通時(shí)，電流iL1線性上升，電感L1開(kāi)始儲(chǔ)能，此時(shí)均衡子電路S1吸收電池B1的能量；當(dāng)MOS管Qd1關(guān)斷時(shí)，電流iL1線性下降，此時(shí)電感L1給電池B2充電，完成均衡子電路的一個(gè)均衡周期T。如此反復(fù)的進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，可實(shí)現(xiàn)電池B1和B2的平衡。

由以上分析可知，Buck-Boost均衡電路僅能在相鄰的電池之間傳遞電荷，當(dāng)電池間的傳輸?shù)木嚯x較遠(yuǎn)時(shí)，電荷需要經(jīng)過(guò)多個(gè)均衡子電路的傳遞，傳輸速度慢且增加開(kāi)關(guān)損耗，增大了均衡時(shí)間且降低了均衡效率。因此，為改善電荷僅能在相鄰電池間傳遞的特性，文獻(xiàn)［9］提出了一種電池組合的均衡電路，如圖2所示。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明，電池組合的均衡電路減少了電荷傳遞的步驟，從而加快了均衡速度和提高了均衡效率。

圖2　電池組合的Buck-Boost均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Grouped cells Buck-Boost balancing topology

這種通過(guò)優(yōu)化均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，改善均衡效果的研究并不罕見(jiàn)。文獻(xiàn)［10］提出了一種中心電池集中式結(jié)構(gòu)的均衡電路，減少了開(kāi)關(guān)數(shù)量，提高了電池組的均衡速度和效率；文獻(xiàn)［11］基于Buck-Boost均衡電路，提出了兩種改進(jìn)的均衡電路，通過(guò)增加電池組的均衡電流，提高了均衡性能。本文基于之前的研究，為進(jìn)一步提升均衡電路的性能，減少開(kāi)關(guān)數(shù)量，同時(shí)簡(jiǎn)化均衡控制復(fù)雜性，提出了一種優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路。

1.2優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路

優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路如圖3所示，與圖1和圖2的Buck-Boost均衡電路相比，優(yōu)化后的均衡電路用開(kāi)關(guān)電感模塊LK替代電感儲(chǔ)能元件L，其中開(kāi)關(guān)K1～K2n為繼電器，通過(guò)單片機(jī)控制其開(kāi)斷。

圖3　優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Optimized Buck-Boost balancing topology structrue

優(yōu)化后的均衡電路通過(guò)控制繼電器開(kāi)關(guān)改變均衡子電路的結(jié)構(gòu)。與圖1所示的均衡電路相比，該電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在電感元件不變的基礎(chǔ)上，減少了MOS管數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)不相鄰的電池之間的能量傳遞；與圖2所示的均衡電路相比，該電池可實(shí)現(xiàn)任意電池的均衡組合，可避免之前電池組數(shù)量決定電池組均衡電路結(jié)構(gòu)和控制策略的復(fù)雜性，使得均衡電路更容易模塊化。其工作原理和控制如下。

模式1（均衡相鄰電池）：當(dāng)2塊相鄰的電池需要均衡時(shí)，通過(guò)控制相鄰的電感模塊中的繼電器實(shí)現(xiàn)Buck-Boost電路的變換，以電池Bk和Bk+1為例。微處理器分別控制繼電器K2k-2、K2k+1和K2k+2閉合，此時(shí)優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路如圖4所示。電池Bk和Bk+1組成了基本的Buck-Boost均衡子電路，通過(guò)控制MOS管Qk和Qk+1，可實(shí)現(xiàn)電池間的電荷轉(zhuǎn)移。

圖4　電池相鄰時(shí)優(yōu)化后的均衡電路等效電路Fig.4 Equivalent circuit of optimized circuit for adjacent cells

模式2（均衡不相鄰電池）：當(dāng)兩塊不相鄰的電池需要均衡時(shí)，結(jié)合電池分組的均衡電路，通過(guò)控制不相鄰的電感模塊中的繼電器實(shí)現(xiàn)電池組和電池組之間的電荷轉(zhuǎn)移，以電池BM向電池BN轉(zhuǎn)移電荷為例（M＜N）。當(dāng)M-N為奇數(shù)時(shí)，微處理器分別控制繼電器K2M-2、KM+N和K2N閉合，此時(shí)優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路如圖5（a）所示，電池組CM和 CN組成了基本的Buck-Boost均衡子電路，通過(guò)控制MOS管QM～Q（M+N-1）/2和Q（M+N+1）/2～QN，可實(shí)現(xiàn)不相鄰電池間的電荷轉(zhuǎn)移；當(dāng)M-N為偶數(shù)時(shí)，微處理器分別控制繼電器K2M-2、KM+N+1和K2N閉合，此時(shí)優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路如圖5（b）所示，其工作原理如上所述。

圖5　優(yōu)化后的均衡電路在電池不相鄰時(shí)的工作電路Fig.5 Equivalent circuits of optimized circuit for non-adjacent cells

因此，根據(jù)其工作原理和控制，其均衡控制流程如圖6所示。

圖6　優(yōu)化的均衡電路控制流程Fig.6 Flow chart of the optimized cell balancing circuit

2　對(duì)比分析

通常，均衡電路的開(kāi)關(guān)數(shù)量、均衡速度T、均衡損耗Ploss和均衡控制復(fù)雜性等被用于評(píng)價(jià)均衡電路性能的主要因素。根據(jù)第1節(jié)均衡電路介紹可知，3種不同的Buck-Boost均衡電路的開(kāi)關(guān)數(shù)量如表1所示。由表可知，在均衡電路功能相同的前提下，優(yōu)化的均衡電路通過(guò)N個(gè)MOS管和2N個(gè)繼電器開(kāi)關(guān)替代原均衡電路的N（N-1）個(gè)電子開(kāi)關(guān)，當(dāng)電池?cái)?shù)量大于4時(shí)，優(yōu)化的均衡電路可以有效地減少開(kāi)關(guān)數(shù)量，增加均衡電路的自由度，使均衡電路的作用增強(qiáng)；同時(shí)，由于繼電器控制容易且開(kāi)關(guān)頻率很小，相較于電子開(kāi)關(guān)控制復(fù)雜且開(kāi)關(guān)頻率很高（如50 kHz），優(yōu)化的均衡電路能很好地實(shí)現(xiàn)物理斷路，提高系統(tǒng)的效率和可靠性，減少開(kāi)關(guān)的損耗。

表1　3種不同的均衡電路在相同功能下開(kāi)關(guān)數(shù)量Tab.1 The number of switches in different balancing circuit under the same function

一般來(lái)說(shuō)，均衡速度與均衡電流和轉(zhuǎn)移步數(shù)有最直接的關(guān)系，一個(gè)均衡周期內(nèi)，當(dāng)電流越大，電路轉(zhuǎn)移的電荷量也就越大。通過(guò)第1節(jié)的分析可知，基于電感儲(chǔ)能的均衡電路的均衡電流的關(guān)系為

其中，在電感參數(shù)、開(kāi)關(guān)頻率和占空比不變的情況下，電池電壓決定了均衡電流的大小。優(yōu)化后的均衡電路不僅可以使電荷在相鄰的電池間傳遞，同時(shí)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)電感模塊，可實(shí)現(xiàn)電荷在不相鄰電池在任意電池組間的傳遞，減少了電荷轉(zhuǎn)移的步數(shù)，實(shí)現(xiàn)電池組的快速均衡，以電池Bm和Bn為例，分析3種不同均衡電路的轉(zhuǎn)移特性如表2所示。

表2　3種不同的均衡電路電荷轉(zhuǎn)移特性Tab.2 Performance of charge transfer in different balancing circuits

由表2可知，優(yōu)化均衡電路相較之前的電路，在任意的2節(jié)或2組電池間可實(shí)現(xiàn)電荷的直接轉(zhuǎn)移，在均衡電流不變的情況下，轉(zhuǎn)移的步數(shù)越少，電池組的均衡速度越快。以n節(jié)電池為例，電荷在相鄰電池間的轉(zhuǎn)移的概率為

由式（2）可知，當(dāng)電池?cái)?shù)量較大時(shí)，電荷在不相鄰的電池間轉(zhuǎn)移的概率大于相鄰電池間的轉(zhuǎn)移。優(yōu)化均衡電路可以有效地節(jié)約電池轉(zhuǎn)移的步數(shù)，實(shí)現(xiàn)電池組的快速均衡。電路損耗是均衡電路的重要因素，它主要包括了：開(kāi)關(guān)損耗Psw、電感損耗PL等，即

則均衡電路的效率η為

但整個(gè)電池組的均衡效率取決于電荷傳遞的步數(shù)，即

因此，3種不同的電感型儲(chǔ)能型的均衡電路中，在Buck-Boost均衡基本子電路相同的情況下，電池組中電荷需要傳遞的步數(shù)和均衡電路決定了均衡電路的效率。由表2可知，優(yōu)化均衡電路減少了電荷轉(zhuǎn)移的平均步數(shù)，可以提高均衡電路的整體效率。

3　實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)以上理論分析可知，優(yōu)化后的均衡電路相較于之前的2種均衡電路，在提高均衡速度和效率的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化了電路復(fù)雜的控制性，實(shí)現(xiàn)了電池組均衡電路的模塊化。

為驗(yàn)證以上分析，本文基于新加坡淡馬錫理工學(xué)院清潔能源中心的某微型電動(dòng)車(chē)鋰離子電池組，分別進(jìn)行了6節(jié)電池在3種均衡電路和不均衡的均衡實(shí)驗(yàn)，其測(cè)試平臺(tái)如圖7所示。其中，三種均衡策略均以開(kāi)路電壓作為判斷依據(jù)，當(dāng)兩節(jié)電池電壓或兩組電池電壓平均值差為20 mV時(shí)，由微處理器產(chǎn)生信號(hào)，控制均衡電路工作。

圖7　某微型電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試平臺(tái)Fig.7 The tested electric vehicle platform

其中，不同的電池組中的初始最大電壓差值為117～120 mV，在電動(dòng)車(chē)實(shí)際工況下運(yùn)行2 h中，各單體電池電壓參數(shù)由外置ADC模塊采集并傳送給微處理器，經(jīng)處理后得到的開(kāi)路電壓作為均衡電路的判斷依據(jù)。圖7為4種情況下的電動(dòng)車(chē)LiFePO4電池組電壓曲線，其電壓曲線由移動(dòng)平均濾波（moving average filter）算法處理。由圖8（a）可知，在不做任何均衡的情況下，LiFePO4電池組的不一致性會(huì)隨著充放電而加劇，進(jìn)一步地降低電池組的可用容量；由圖8（b）、（c）和（d）可知，優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路與原始Buck-Boost電路相比，提高了27%的均衡速度，與電池分組的均衡電路相比，提高了4.17%的均衡速度，有效地提高了電池的均衡速度。由于電池的開(kāi)路電壓和SOC存在趨勢(shì)上的一致關(guān)系，因此為了驗(yàn)證不同均衡策略的效率，分別計(jì)算了4組電池組在工作前和工作2 h靜置后的開(kāi)路電壓平均值和對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差，如表3所示。

圖8　電動(dòng)汽車(chē)電池組均衡實(shí)驗(yàn)Fig.8 Electrical vehicle cells balancing test

表3　電池組開(kāi)路電壓平均值及標(biāo)準(zhǔn)差Tab.3 Average values and standard deviation of cells open circuit voltage

由表3可知，盡管均衡電路在運(yùn)行中消除了電池的不一致性，但也消耗了部分電池電荷，相比于電池組不做均衡處理時(shí)，電池組的平均開(kāi)路電壓減小。與其他2種均衡電路相比，優(yōu)化后的Buck-Boost均衡電路2 h后的平均開(kāi)路電壓最高，減少了均衡的損耗，提高了均衡效率。

3　結(jié)語(yǔ)

本文的主要目的是解決鋰離子電池組的不一致性。通過(guò)比較不同的均衡電路，為提高均衡電路的速度和效率，提出了一種基于電壓均衡的優(yōu)化的Buck-Boost均衡電路。通過(guò)對(duì)比分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明了優(yōu)化后的均衡電路在原Buck-Boost均衡電路的基礎(chǔ)上，減少了開(kāi)關(guān)數(shù)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

呂航

2015-07-30

呂航（1990-），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：鋰電池能量管理系統(tǒng)、電動(dòng)汽車(chē)，E-mail：march_lh@sina.com。

劉承志（1963-），男，碩士，副教授，研究方向：繼電保護(hù)，E-mail：lcz2928@163. com。