深海动力磷酸铁锂电池组均衡方案设计优化

吕　航　刘承志　尹　栋　林鹏峰　贾俊波

(1.国网四川省电力公司乐山供电公司　乐山　614000　2.西南交通大学电气工程学院　成都　610031 3.淡马锡理工学院清洁能源研究中心　新加坡　529757)



深海动力磷酸铁锂电池组均衡方案设计优化

吕航1，2刘承志2尹栋2林鹏峰2贾俊波3

(1.国网四川省电力公司乐山供电公司乐山6140002.西南交通大学电气工程学院成都610031 3.淡马锡理工学院清洁能源研究中心新加坡529757)

为提高深海储能装置的长时间安全工作性能，提出了一套深海用的动力磷酸铁锂电池设备的智能电池管理系统(SBMS)，重点分析了SBMS中的电池组均衡管理。针对常用基于电感的Buck-Boost电路的均衡速度和效率分别提出了两种改进方案。引入模糊控制技术，对实验室深海项目的磷酸铁锂电池组进行了恒流充放电实验，比较不同改进方案的均衡实验效果。将电池均衡的改进方案应用于某微型电动车电池组的实际工况中，验证了改进方案可提高电池组的可用容量。

深海储能装置磷酸铁锂电池电池管理系统均衡电路模糊控制

0　引言

由于动力电池具有低污染排放和相对廉价等优点，被越来越多地应用于深海设备储能系统中，如水下机器人车辆和深海探测仪器等。锂离子电池作为动力电池，具有能量密度高、输出功率大和无记忆效应等优点，在新能源汽车和新能源发电等领域发挥着重要的工程价值[1]。本文针对深海设备较长续航时间的特点，提出了一套大容量的锂离子电池组辅助电源供电系统。其中磷酸铁锂电池(Lithium Iron Phosphate，LiFePO4)具有工作电压适中、电容量大、放电功率高、可快速充电且循环寿命长、在高温和高热环境下的稳定性高等特性，是目前产业界认为符合环保、安全和高性能要求的锂离子电池[2]。

通常，LiFePO4电池的工作电压为2.5～3.65 V，并不能满足一般深海设备(如水下机器人车辆等)的电压要求，所以在组成动力电池时，需要对电池进行串联或并联，以达到合适的电压等级和容量等级[3]。本文中深海储能设备的电池组由12个单体的磷酸铁锂电池串联组成，智能电池管理系统(Smart Battery Management System，SBMS)作为电池重要的组成部分，保证电池安全、高性能工作。SBMS具有以下功能：①电池均衡[4]；②采集电池电压、电流和温度数据；③估计电池荷电状态(State of Charge，SOC)、健康状态(State of Health，SOH)和剩余容量；④保护电池安全工作；⑤控制电池充放电过程。由于磷酸铁锂电池本身的不一致性，再加上反复充放电导致电池间差异性和SOC不一致性逐渐加大，而这种差异性会大大降低电池组的整体性能，更严重的是会损坏电池[5]。因此，需要电池均衡系统来保证电池组安全和延长电池组工作时间。

电池的主动均衡主要是通过电容或电感实现电荷在电池间的转移[6-8]，其中以电容作为均衡的能量转移装置控制简单且效率较高，但它受限于均衡电流小的原因，使得以电容实现均衡的速度慢，难以快速地在电池组中实现均衡[9，10]；而对于提高均衡电流，加快均衡速度来说，电感作为能量转移元件起到了较好的作用，但它也相对存在着控制复杂、损耗较高等缺点[11，12]。电池组的均衡时间和效率是决定均衡策略的两大重要因素，国内外学者对提高电池均衡的速度和效率等进行了一定研究。文献[13]提出了一种基于模糊控制技术配合当前电压状况实时控制的均衡电路，缩短了均衡时间，提高了均衡效率。文献[14]研究了4种均衡拓扑，通过理论分析可知，单体电池对单体电池均衡的拓扑电路是均衡速度最快、效率最高的方法。文献[15]针对均衡电路开关损耗，提出了一种可以实现零电流开关的准谐振转换电路，与传统均衡电路相比可以提高20%～30%的效率。

本文采用基于SOC估计[16，17]和模糊控制算法[18]的磷酸铁锂电池组均衡控制策略。首先对应用广泛的基于电感的Buck-Boost均衡电路进行简单理论分析；然后针对其缺点在控制策略和电路拓扑两方面提出了两种改进方案，优化了电路结构，提高了均衡速度，降低了均衡损耗；最后，通过实验验证改进后的均衡电路的效果。

1　方案提出

1.1电池模型

深海磷酸铁锂电池组辅助电源供电系统的结构如图1a所示，它包含电池层(battery layer)和电子层(electronic layer) 两部分。其中电池层包括12节磷酸铁锂电池和2块控制板，如图1b所示。电子层主要由逆变器、充电器和继电器等组成。其中，两块控制板分别为主控制板和平衡电路板。主控制板主要具有采集电池数据、保证电池工作安全和控制平衡电路板工作的作用，同时，电池的SOC估计算法也内嵌于该控制板中，实时给出估计值。当电池组的SOC不一致时，通过主控制板的控制信号实现平衡电路板的控制工作。

图1　深海磷酸铁锂电池组结构Fig.1　Structure diagram of LiFePO4 stack in deepwater

1.2均衡电路

图2是以4节LiFePO4电池为例，基于电感储能的Buck-Boost均衡电路拓扑，每个基本均衡模块由1个P沟道MOSFET、1个N沟道MOSFET和1个电感LN组成。其中MOS管SWN,N+1和SWN+1,N由脉宽调制信号(Pulse Width Modulation，PWM)控制驱动，通过调节PWM信号的占空比，并以SOC作为判断均衡的数据依据，可实现电荷在相邻电池间的双向传递。

图2　Buck-Boost均衡电路(以4节电池为例)Fig.2　Buck-Boost equalization circuit(e.g.implementation for four batteries)

利用MOS管的反向电阻区作为整流二极管续流，在MOS管工作中引入同步整流替代之前的以体二极管续流的工作模式，降低了管耗。但在均衡过程中，需要特别注意MOS管的开断，防止均衡电路上下桥臂直通，串联电池组短路。在该均衡电路下，电池组电荷通过电感储能并在相邻电池间传递，通常电感工作在断续模式，简化电流控制最小化均衡电路的控制复杂性。

该均衡电路的缺点主要包括两个方面：①由于电荷只能在相邻电池间传递，当电池组中SOC最大的电池和SOC最小的电池相距较远时，电荷需要多次的转移才能实现两节电池的传递，增加了系统均衡时间，也会增加电荷在多次转移过程的损耗；②在一个PWM信号周期内，0～DT时间内SOC高的电池转移电荷给电感，DT～T时间内电感将电荷转移给SOC低的电池，使得每个电池在一个周期T内并未完全均衡，部分时间处于不均衡状态，使得一个周期内的平均电流(即均衡电流)减少，降低了均衡速度。

针对以上两个缺点，分别在第二节提出两种改进的方案。

1.3模糊控制器设计

在均衡电路方案中，通过模糊控制算法控制PWM信号实现均衡电流的调节，模糊控制器包括规则库、推理机制、模糊化和解模糊化，如图3所示。模糊控制器有两个输入变量：两节电池间的SOC差值和电池SOC。输出变量为PWM信号控制的均衡电路的均衡电流Iequ。 根据实验经验，设计了5×5条模糊规则进行控制。

图3　模糊控制结构框图Fig.3　Structure of fuzzy controller

2　方案改进

2.1方案1——减少转移步骤，提高均衡速度

通常电池均衡电路的功率决定了均衡的速度，一个开关周期的均衡电流越大，转移的电荷也就越多。但是实际工程应用中，均衡电路功率是受限的，并不能无限制地增加。因此当均衡电路的功率确定后，电荷转移的平均步数决定了电池的均衡速度和损耗。

因此，本文首先针对图2所示的Buck-Boost均衡电路仅能在相邻电池间传递电荷的均衡特性，提出了如图4所示的均衡电路拓扑。

图4　改进方案1均衡电路Fig.4　Equalization circuit of improved scheme 1

改进的均衡电路1通过电池组合的方式，同时结合新的均衡控制算法，不仅可实现电荷在相邻电池之间的传递，也可以实现电池组之间的传递。首先，电池组通过均衡子电路S1和S2完成相邻电池间的电荷转移；其次，当相邻的电池均满足电池一致要求时，相邻的电池组合成新的电池组C1和C2， 以电池组中的平均SOC作为均衡的判断依据，如图4所示，并通过均衡子电路S3完成电池组间的电荷转移，最终实现电池组的均衡。文献[19]在该改进电路的基础上，给出了定性的分析，并通过仿真验证了其可行性。在此基础上，本文进一步研究该电池组合的均衡电路，定量的计算电池组中电荷转移的步数，即电池的均衡速度和损耗，验证改进方案1均衡电路的性能。

电荷转移的平均步数Savg定义为

(1)

式中，Sij为电荷从第i节电池转移到第j节所需的步数；T为电池电荷转移步数的总和，当电池组中有N节电池时，T=N(N-1)。 以N为偶数为例，Buck-Boost均衡电路和改进方案1均衡电路的电池电荷转移步数的计算如下所示。

Buck-Boost均衡电路所需的电荷转移步数为

(2)

改进方案1均衡电路所需的电荷转移步数为

(3)

式中，*表示N为2的倍数且不为4的倍数；#表示N为4的倍数。

由式(2)和式(3)可绘制两种拓扑结构电荷转移的平均步数曲线，如图5所示。图5表明改进的均衡电路在开关和MOS管不变的情况下，减少了电荷所需转移的平均步数，加快了电池组的均衡速度，降低了电荷转移过程的损耗。

图5　改进前后电路电荷转移的平均步数Fig.5　Average steps for charge transfer of each structure

2.2方案2——增加均衡电流，提高均衡速度

图6　改进方案2均衡电路Fig.6　Equalization circuit of improved scheme 2

图7　改进方案2均衡电路等效电路Fig.7　Equivalent circuit of improved scheme 2

与之前方案相比，改进方案2的均衡电路在一个周期时间内，连续的完成了电池组C1的放电和电池组C2的充电；每个均衡子电路的两个桥臂单元交替的工作在占空比接近0.5的PWM信号下，均衡电流为两个桥臂的输入输出电流之和，使得均衡电流变成了之前的2倍，提高了均衡的速度。

然而，在改进方案2中每个均衡子电路都新增加了一路桥臂，增加了均衡电路的成本和控制的复杂性，同时，均衡电流和均衡的损耗也呈正比关系。因此，通过实验分析可知，当电池组中不一致性较严重，如某节电池的SOC很明显高于或低于其他电池时，防止其中某节电池过充或过放，采用改进方案2能够快速地实现均衡，保证电池组的安全工作；当电池组中不一致性较小或均衡多节电池时，通过改进方案1可有效降低控制复杂性和均衡的损耗。

3　实验系统

3.1实验系统设备

本研究采用新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究中心深海辅助电源设备的磷酸铁锂电池，实验平台的搭建如图8a所示，其中实验设备参数见表1。首先进行了磷酸铁锂电池组在静态(即非充放电)、电流为5 A的恒流放电实验；其次，深海磷酸铁锂电池组电源

图8　实验系统Fig.8　Experimental system

设备的供电对象主要为工况简单的深海探测仪等装置，因此，在实验室中将深海用磷酸铁锂电池组及电池管理系统应用于工况更加复杂的微型电动汽车中，验证两种改进的均衡策略的性能，如图8b所示。

3.2实验结果

图9为静态和放电状态下的磷酸铁锂电池组均衡实验。相比于图9a，两种改进方案改变了Buck-Boost均衡电路的拓扑结构和控制策略，使得电池组能够较快的实现均衡；比较图9b和图9c可知，改进方案2在每个子均衡电路基础上增加了一个结构相同、工作互补的桥臂，增大了均衡电流，加快了电池组的均衡速度，见表2。同时，改进方案有效减少了均衡中能量传递步数，提高了整个均衡方案的效率，在表2中，改进的方案增加了在4节电池均衡后SOC的平均值，降低了均衡中的损耗。图9d为带有改进方案2的放电曲线，在放电过程中，当电池组中的电池SOC达到均衡条件时，MCU控制开关工作，使各单体电池SOC逐渐趋近于相同，最终增加了整个电池组的放电容量。

图9　均衡实验Fig.9　Cell equalization test

均衡方案均衡速度/s均衡后SOC(%)Buck-Boost电路315096.473改进方案1256496.575改进方案2145596.504

图10是将改进的方案2应用于某微型电动车中的实测数据。当启动电动车时，实测电流急剧上升。当刹车时，电流值为负。由图10b可知，改进的方案能适用于大功率的电池设备中，较快地实现了电池的均衡。

图10　实测数据Fig.10　Real-time measurement data

图11为改进方案均衡实验电池1的均衡电流。对比改进方案1和改进方案2，由于改进方案2中一个PWM周期内每个电池连续地充放电，使其均衡电流变成之前的2倍，加快了均衡的速度。

图11　改进方案均衡实验电池1电流Fig.11　Improved schemes cell 1 equalization current test

4　结论

本文基于新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究中心实验室项目的深海磷酸铁锂电池组储能系统的测试实验平台，重点分析和优化电池组的均衡电路及控制策略，以均衡速度和效率这两个影响均衡的重要因素对改进前后的方案进行了对比，验证了改进的方案效果：

1)证明了改进均衡方案1在电感和MOS不变的情况下，通过改变均衡电路的拓扑结构和配套的均衡控制策略，可以减少电池组内电荷传递的平均步数，提高了均衡的时间，降低了损耗。

2)分析了影响Buck-Boost电路和改进方案1均衡电流的因素，从提高一个PWM信号周期内的平均电流出发，在改进方案1的基础上提出了改进方案2，使得均衡电流变成之前的2倍，提高了均衡速度。

通过实验验证了改进均衡方案的可行性，为进一步将基于电感的电池均衡技术用于大功率的深海储能设备的深入研究工作打下基础，从而保证电池储能的安全高效应用。本研究工作是基于电池SOC估计结果，实现不同改进均衡电路的工作，SOC估计算法及其估计精度对均衡系统的影响是下一步研究工作。

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The Design and Optimize of Equalization Schemes for Underwater Power LiFePO4 Battery Stack

Lü Hang1，2Liu Chengzhi2Yin Dong2Lin Pengfeng2Jia Junbo3

(1.State Grid Leshan Power Supply CompanyLeshan614000China 2.School of Electrical EngineeringSouthwest Jiaotong UniversityChengdu610031China 3.Clean Energy Research CenterTemasek PolytechnicSingapore529757Singapore)

In order to improve life cycle and safety of underwater energy storage equipment，the research provides a smart battery management system (SBMS) for power lithium iron phosphate (LiFePO4) stack，and focuses on the cells equalization circuit.Two optimized schemes have been proposed for the Buck-Boost circuit based on inductors in order to improve performance of the equalizing time and the efficiency.The fuzzy current controller is used in system.A constant current charge-discharge experimental study is done on the underwater LiFePO4 stack and comparisons among the performances of three equalizing schemes are carried out.The optimized balancing scheme is implemented on a small electric vehicle，which verifies that the battery stack usage capacity has been improved.

Underwater energy storage equipment，lithium iron phosphate，battery management system，equalization circuit，fuzzy controller

2015-06-03改稿日期2015-09-11

TM912.1

吕航男，1990年生，硕士研究生，研究方向为电动汽车和可再生能源。

E-mail：march_lh@sina.com(通信作者)

刘承志男，1963年生，副教授，研究方向为电力及轨道电气化继电保护和继电保护测试。

E-mail：lcz2928@163.com