磷酸鐵鋰電池均衡技術的研究

高鵬飛，晉貞貞

（1.葛洲壩集團電力有限公司，湖北宜昌 443002；2.廣東電網有限責任公司清遠清城供電局，廣東清遠 511500）

引言

磷酸鐵鋰電池作為新能源發電、電動汽車以及調頻領域應用最廣泛的儲能電池，具有體積重量小、循環壽命長、安全性能高、充放電電流大、能量密度大等諸多優點[1]。但是，磷酸鐵鋰單體電池的標稱電壓較低不能滿足高電壓、大功率容量設備的需要，因此，在工程實踐中，將大量的單體電池串聯、并聯或者混聯來滿足設備對電壓和電流的需求。在電池組的使用過程中由于受到不同充放電倍率、自放電、環境溫度等因素的影響，致使各單體電池的剩余容量、電壓不盡相同[2]，即會出現電池荷電狀態不一致的問題。不一致性問題的出現會導致電池組的性能下降，使用壽命逐漸衰減，因此對儲能電池的不一致性分析顯得尤為重要。根據均衡過程中能量消耗和轉移方式的不同，將均衡方法分成兩大類：耗能型均衡和非耗能型均衡[3,4]。耗能型均衡是在電池充電過程中完成的，當某個單體電池的電壓或SOC高于其他電池時，閉合該電池的并聯開關進行分流，直到它與其他電池電壓或SOC趨于一致，再通過均衡管理模塊斷開并聯開關，停止對電池的分流。耗能型均衡電路具有控制電路結構簡單、易操作等優點，但是，該均衡技術由于并聯分流電阻較小使得整個均衡過程較長，均衡效率較低。并且在分流電阻中將多余的能量轉化為熱量，從耗時和節能角度來看，不是一種有效的均衡方式；非耗能型電池組均衡控制主要是將容量較高的電池能量存儲在電容或電感中，然后將能量傳給容量較低的電池,從而實現各電池單體間能量的均衡。根據儲能元件的不同，電池組非耗能型均衡控制主要包括電容均衡法、變壓器均衡法和電感均衡法[3-6]。

為了進一步提高電池組均衡控制過程的效率、降低均衡過程中能量的損耗。本研究在傳統電感雙向相鄰均衡電路的基礎上，整合相鄰比值均衡法的優缺點，提出一種新型均衡控制電路和控制策略。最后，通過對比原有均衡電路和新型均衡電路在靜置狀態下和動態工況下的仿真結果，進一步驗證了新型均衡電路在均衡效率和能量損耗方面的優越性。

1 改進型電池組電感均衡電路

電感均衡控制是通過儲能電感以電流的形式在電池間進行能量傳遞的，最終使各單體電池間荷電狀態達到一致。其拓撲結構如圖1所示。該均衡電路是基于優化的Buck-Boost型均衡電路得到的，旨在實現各相鄰電池單體間能量的雙向傳遞。假設電池B1的能量高于電池B2，則一個均衡模塊內均衡過程可分以下三個階段：

圖1 電感雙向均衡電路圖

階段1(B1放電階段)：開關M1-1閉合，對電感L1充電，電感電流峰值的大小取決于開關的導通的時間；

階段2(電池B2充電階段)：開關M1-1斷開，電感中存儲的能量通過二極管D1-2轉移到電池B2；

階段3(電感L1消磁階段)對電感L1進行消磁，使電感恢復到初始狀態，避免電感在均衡中能量積累達到磁飽和。在電池B2充電和電感L1消磁的過程中，L1與B2構成了LC串聯振蕩電路，電感兩端并聯小電阻的作用主要是為了消除振蕩引起的不利影響。

電感型雙向均衡控制電路與電容型均衡電路相比，該均衡電路是基于電感以電流的形式來進行能量傳遞，即使在電壓差值較小的情況下也能進行能量轉移；相較于變壓器均衡控制電路，該均衡電路體積小重量輕，對均衡電流的控制能力強。該均衡方法可以在同一時間內對多個單體電池進行均衡，均衡效率得到了有效的提升。

2 改進型電池組電感均衡控制策略

與傳統電感均衡電路相比，該型均衡電路中使用的均衡模塊數量依然是n-1個，在均衡模塊沒有增加的情況下均衡效率和均衡速度得到了明顯的提高；并且該型拓撲易于擴展，電池組以偶數個的形式加減單體電池數量。由于電池組的均衡是靠相鄰電池間能量轉移完成的，隨著單體電池個數的增加勢必會引起均衡時間加長，為了解決這一問題，可以將電池組分若干段均衡，段內均衡時間減少、效率提高。段間均衡時可將段內的幾個單體電池看作一節單體電池，采用相同的均衡方式同步進行。

電池組的各單體間能量的不一致性和離散程度需要選用量化指標衡量。本研究以磷酸鐵鋰電池荷電狀態(SOC)作為均衡變量[7-10]，以各單體電池SOC的均方差r表示電池組的能量的離散程度，用相鄰電池間SOC的差值ΔSOC表示電池組各單體電池間能量的差異。各相關變量的定義如下：

磷酸鐵鋰電池荷電狀態均方差r：

磷酸鐵鋰電池荷電狀態差值：

式中，n為電池節數，i=1,2,3,...,n-1。當電池組的均方差r大于啟動閾值ε時啟動均衡，再對相鄰電池間ΔSOC大于均衡閾值θ進行均衡操作，直到電池組的均值ΔSOC小于閾值θ時停止均衡。電池組的均衡流程如圖2所示。

圖2 電池組的均衡流程圖

以圖3四模塊改進型電感均衡電路為例，對電池組的一個均衡過程展開詳細論述。為便于分析均衡過程，現做出如下假設：（1）四節單體電池的荷電狀態SOC1>SOC2>SOC3>SOC4；（2）荷電狀態均方差大于啟動均衡閾值ε，相鄰電池間的差值ΔSOC大于均衡閾值θ。

圖3 相鄰四節單體電池的均衡電路圖

均衡過程分別如下：（1）均衡模塊1通過高頻脈沖控制開關管M1-1的通斷，將B1中的電量通過電感L1和二極管D1-2轉移到B2中，直到兩電池間的差值ΔSOC小于閾值θ，均衡過程結束；（2）均衡模塊2是(SOC1+SOC2)與(SOC3+SOC4)之差大于均衡閾值θ時，通過高頻脈沖控制M2-1的通斷，將B1和B2中的電量通過電感L2和二極管D2-2轉移到B3和B4中，直到(SOC1+SOC2)與(SOC3+SOC4)之差小于均衡閾值θ時，均衡過程結束；（3）均衡模塊3通過高頻脈沖控制M3-1的通斷，將B3中的電量通過電感L3和二極管D3-2轉移到B4中，直到兩電池間的差值ΔSOC小于閾值θ，均衡過程結束。

在均衡模塊的工作過程中為了避免電感的磁飽和現象，一般將均衡電路中的電感工作在斷續（DCM）模式，在每個高頻均衡周期內電感給低電量電池充完電后，確保電感電流下降為零。

3 磷酸鐵鋰電池組均衡仿真模型

以六節電池為例,采用相鄰比值法的均衡策略，對比原均衡電路和改進型均衡電路的均衡效率和均衡時間，進而驗證所提改進的均衡電路的有效性，具體仿真參數如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池組仿真電路參數

3.1 電池組在靜置階段的均衡仿真結果驗證

電池組在靜置階段下分三組進行對比驗證，第一組是1個單體電池的SOC較低，其他5個單體電池的SOC較高且分布較均勻；第二組是1個單體電池的SOC較高，其他5個單體電池的SOC較低且分布較均勻；第三組是6節單體電池的SOC分布均勻。

第一組六節單體電池的SOC分別為0.65，0.64，0.57，0.61，0.63，0.62，原均衡電路和改進型均衡電路仿真結果如圖4和圖5所示。

圖4 基于原均衡電路的仿真圖

圖5 基于改進后的均衡電路仿真圖

由圖4可知，原均衡電路的均衡時間為1827 s，均衡后的SOC平均值為0.617 7，容量轉移效率為83.69%；由圖5可知改進型均衡電路均衡時間為919 s，均衡后的SOC平均值為0.619 2，容量轉移效率為92.41%。改進型均衡電路均衡時間縮短了908 s，均衡速度提高了49.7%，容量轉移效率提高了8.72%。

第二組六節單體電池的SOC分別為0.71，0.66，0.67，0.64，0.65，0.63，原均衡電路和改進型均衡電路仿真結果如圖6和圖7所示。

圖6 基于原均衡電路的仿真圖

圖7 基于改進后的均衡電路仿真圖

由圖6可知原均衡電路的均衡時間為2128.5 s，均衡后的SOC平均值為0.657 5，容量轉移效率為77.78%；由圖7可知改進型均衡電路均衡時間為908.5 s，均衡后的SOC平均值為0.659 2，容量轉移效率為92.31%。基于修改后的均衡電路均衡時間縮短了1220 s，均衡速度提高了57.3%，容量轉移效率提高了14.53%。

第三組六節單體電池的SOC分別為0.43，0.47，0.48，0.44，0.45，0.46，原均衡電路和改進型均衡電路仿真結果如圖8和圖9所示。

圖8 基于原均衡電路的仿真圖

圖9 基于改進后的均衡電路仿真圖

由圖8可知原均衡電路的均衡時間為925.5 s，均衡后的SOC平均值為0.453 4，容量轉移效率為80.72%；由圖9可知改進型均衡電路均衡時間為745 s，均衡后的SOC平均值為0.454 1，容量轉移效率為88.68%。基于修改后的均衡電路均衡時間縮短了180.5 s，均衡速度提高了19.5%，容量轉移效率提高了7.96%。

由以上均衡結果分析可知，電池組在靜置狀態下，改進型均衡電路的均衡時間和容量效率都有所改善，驗證了該均衡電路的準確性和有效性。

3.2 電池組在動態工況下的均衡仿真結果驗證

在自定義工況電流下六節單體電池的SOC分別為0.91，0.89，0.87，0.88，0.90，0.92，原均衡電路和改進型均衡電路仿真結果如圖10和圖11所示。

圖10 基于原均衡電路的仿真圖

圖11 基于改進后的均衡電路仿真圖

由圖10可知在動態工況電流下，原均衡電路的均衡時間為1067 s；由圖11可知改進型均衡電路均衡時間為536 s。改進型均衡電路均衡時間縮短了531 s，均衡速度提高了49.8%。均衡速度的提高可以避免電池組的過充和過放現象，提高了電池組的使用容量，延長了電池組的使用壽命。

4 總結

通過對比分析電池組在靜置下SOC的三種分布情況和自定義工況下的均衡結果，進一步驗證了改進后的均衡電路在均衡時間和均衡效率的有效性和優越性。