基于Buck-Boost变换器的磷酸铁锂电池串联电压均衡优化策略

２ｏ１８年第３期 电ｌ｜ｌ技 』１
研 究 与 开 发
ｆ８］采 Ｈ｛电池 串联 电压 均 衡 策 略 ， 引 入模 糊 逻 辑 控 制 ，从而 实 现均衡 电路 的 ＰＷＭ 控 制 ，但 均衡 策 略 中的模糊 控 制需 要积 累丰 富的先 验知 识 （经验 ），相 应 隶属 函数 的确 定较 为 困难 ，在 一定 程度 上 限制 了 其 应用 。文献 ［９］提 出一种 考虑 电池 温度 影 响的 ＳＯＣ 均 衡策 略 ，该 均衡 电路采 用 被动 式均 衡方 法 ，通过 分 流 电阻消 耗单 体 电池 能量 以实 现均 衡 ，缺 点是 能 量 浪 费较 多 ，均衡 耗 时较长 。文 献 ［１０．１１］则采 用主 动 式均衡 电路进行 电池组 ＳＯＣ均衡 ，该均衡 电路 含 有 多个 变压 器 ，增 加均 衡 电路 的复杂 度 ，且 未考虑 变 压 器 漏 磁 通 带 来 的温 升 对 ＳＯＣ均 衡 效 果 的 影 响 。 文 献 ［１２】的均 衡 电路采 用 ＰＦＭ 控 制 的 电压 均 衡策 略 ，均 衡效 果较 好 ，但 一一个 开关 周期 内只 有 电压最 高 的单 体 电池放 电，导 致 能量传 递较 少 ，均衡 速度 较 慢 。
Ｋ ｅｙｗ ｏｒｄｓ： ＬｉＦｅＰＯ４ ｂａｔｔｅｒｙ； ｓｅｒｉｅｓ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ； ｖｏｌｔａｇｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ； Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ
近 年 来 ，锂 离 子 电池 作 为蓄 电池 的一种 ，凭借 其在 功率 、效 率 、安全 性 、使用 寿命 等方 面 的优 越 性 ，在 电动汽 车 、分布 式发 电等领 域 已经得 到 了深 入研 究和广 泛应用 ［１－２１。但 在实 际应用 中 ，通 常 需要 将几 十个 甚至 是上 百个锂 离 子 电池 串联使用 ，才能 达到 系统 供 能和 电压 的要求 。然而 锂 离子 电池 种类 繁多 ，即 便是 同一类 型 的锂 离子 电池 ，不 同单 体 电 池 内阻、容 量等 性质 依 旧存在 差异 ，这 些差 异 随着 使 用 时间增加 而不 断扩 大 ，形成 电池组 的不 一致 性 ， 最 终 引发 电池组 中 单体 电池过 充 电或过 放 电 ，缩 短 电池组 使用 寿命 ，甚至 威胁 电池组 的安 全运 行 】。
因 此 ，在 实 际 使 用 锂 离 子 电池 组 时 ， 需 要 对 电池 组 采用 均衡 控制 ，减 小不 一致 性所 带来 的影 响 ，以提 高 电池 组 的利用率 和使用 寿命 。
目前 ，针对 电池 组均 衡控 制 已经进 行 了较 为 深 入 的研 究 。文献 ［５］从均衡 电路 设计 、均衡速 度 和成 本等 方面 ，对 比分 析 了多种 电池 串联 均衡策 略 的优 缺 点，为 实 际应 用 中选择 均衡 策 略提供 思路 。文 献 ［６．７】提 出电池 串联应 用 多 目标 均衡 策 略，在整 体 上 同时均衡 荷 电状态 （ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ，ＳＯＣ）、 电池温 度 、电池 衰 减率等 目标 ，但 ＳＯＣ和温度 高度 耦合 ， 两者均 衡程 度相 互制 约 ，影 响整体 均衡 效果 。文 献
研 究 与 开 发
基 于 Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ变换 器 的 磷酸铁锂 电池 串联 电压均 衡优 化策 略
李锐 华 李 冀 胡 波 胡 浩
（同济 大学 电气工程 系 ，上海 ２０１８０４）
摘 要 针对 磷 酸铁 锂 电池 串联 应用 中， 由于单体 电池之 间存 在 不 一致 ，从 而导致 蓄 电池组利 用 率和使 用寿命 降低 的 问题 ，本 文提 出一种基 于 非能耗 型 电压 均衡 方 式 的复合 式 电路 拓扑 。该 均 衡 电路在传 统单体 电池 均衡 电路 的基础 上 ，加入 电池组 间均衡 电路 进行 拓扑 优化 ，以提 高 电压 均 衡速度 。通过对蓄电池组均衡优化策略进行仿真分析验证表明：与传统单一电压均衡 电路相 比， 该 优 化策 略控 制简 单 、易于 实现 ，在 静态和 充放 电状 态 下， 电池 电压 均 衡速度 都 有 明显提 升 ，并 且 能有 效避 免 电池组 过充 电或过 放 电现象 ，从 而提 高 电池 的使用 寿命 。
ＬｉＲｕｉｈｕａ ＬｉＪｉ ＨｔｌＢｏ Ｈｕ Ｈ 口０
（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｏｕｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｃｔｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍ ｅｔｈｏｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｌｉｆｅ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｉｎｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ ｂｅｔｗ ｅｅｎ ｃｅｌｌｓ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ＬｉＦｅＰＯ４ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｏｐｔｉｍ ｉｚｅｄ ｂｙ ａｄｄｉｎｇ ｂａｔｔｅｒｙ ｉｎｔｅｒ—ｇｒｏｕｐ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｉｎｇｌｅ ｃｅｌｌ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｂｏｏｓｔ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｓｐｅｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｃｏｍ ｐａｒｅｄ ｗ ｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｉｎｇｌｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｅａｓｙ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｂａｌａｎｃｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ，ｃｈａｒｇｉｎｇ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ ｓｔａｔｅ．Ａｎｄ ｉｔ ｃａｎ ｐｒｅｖｅｎｔ ｏｖｅｒｃｈａｒｇｅ ｏｒ ｏｖｅｒｄｉｓｃｈａｒｇｅ ｐｈｅｎｏｍ ｅｎｏｎ，ｗ ｈｉｃｈ ｐｒｏｌｏｎｇｓ ｔｈｅ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋ ｌｉｆｅ．
关键 词 ：磷 酸铁锂 电池 ； 串联 电池 组 均衡； 电压 均衡 ；Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ变换 器
Ｖｏｌｔａｇｅ ｅｑｕａｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｐｔｉｍ ｉｚａｔｉｏｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ＬｉＦｅＰＯ ４ ｓｅｒｉｅｓ—－ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｂａｔｔｅｒｙ ｐａｃｋｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｕｃｋ－－Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ