基于荷电状态一致的锂电池均衡策略研究_高铃鹏.pdf

基金项目:国家自然科学基金资助项目(61401269,61572311);上海市科技创新行动计划地方院校能力建设项目(17020500900);区域电网气象灾害预警关键技术及应用(20020500700)收稿日期:2021-06-18 修回日期:2021-06-25 第 40 卷 第 4 期计 算 机 仿 真2023 年 4 月 文章编号:1006-9348(2023)04-0108-06基于荷电状态一致的锂电池均衡策略研究高铃鹏1,蒋 伟1,杨俊杰2,刘贵阳3(1.上海电力大学电子与信息工程学院,上海 200090;2.上海电机学院,上海 200240;3.上海正勤电子有限公司,上海 201100)摘要:锂电池通过串并联作为电池系统,由于自身的差异性导致各单体电池荷电状态不一致,易于老化,产生安全问题。采用双向 DC/DC 变换器与可重构电池技术构建组间与组内两层均衡结构。为加快组间均衡速率,提出 PI 控制调节 DC/DC输出端电压分配系数的组间均衡策略;根据组内电池荷电状态,确定组内均衡时的电池接入数;将均衡周期内单体电池的最优放电比例转化为非线性约束规划问题,提出一种考虑约束的复合差分进化算法进行求解;结合组间与组内策略,构建联合均衡控制方案。放电模式下的仿真结果验证了所提均衡方案的有效性,与传统方法相比,采用上述算法,组内一致性提高了约 30%以上。关键词:荷电状态;非线性约束规划;复合差分进化算法中图分类号:TM912 文献标识码:BResearch on Balance Strategy of Lithium BatteryBased on Consistent State of ChargeGAO Ling-peng1,JIANG Wei1,YANG Jun-jie2,LIU Gui-yang3(1.School of Electrical Information and Engineering,Shanghai University of Electric Power,Shanghai 200090,China;2.ShanghaiDianjiUniversity,Shanghai 200240,China;3.Shanghai Zhengqin Electronics Co.,Ltd.,Shanghai 201100,China)ABSTRACT:Lithium batteries are used as a battery system through series and parallel connections.Due to their owndifferences,the state of charge of each single battery is inconsistent,which is prone to aging and causes safety prob-lems.In the paper,bidirectional DC/DC converter and reconfigurable battery technology were used to construct a two-layer balance structure between groups and within groups.In order to speed up order to speed up the inter-group e-qualization rate,the inter-group equalization strategy of PI control adjusting the DC/DC output voltage distributioncoefficient was proposed;According to the state of charge of the batteries in the group,the number of batteries con-nected in the group during equilibrium was determined;The optimal discharge ratio of the single battery in the equi-librium period was transformed into a nonlinear constrained programming problem,and a compound differential evolu-tion algorithm considering constraints was proposed to solve it.Finally,we combined the between-group and intra-group strategies to construct a joint equilibrium control scheme.The simulation results in the discharge mode verifythe effectiveness of the proposed equalization scheme.Compared with the traditional method,using the algorithm inthis paper,the consistency within the group is improved by more than 30%.KEYWORDS:State of charge;Nonlinear constrained programming;Composite differential evolutionalgorithm8011 引言锂电池具有能量密度高、无记忆效应、自放电率低等优点,被广泛使用于电动汽车、储能等领域。实际应用中,锂电池需要进行串并联来满足实际需求,但电池间存在的差异导致各单体电池荷电状态(state of charge,SOC)不一致,引起电池的过充和过放。因此,需要使用均衡技术来提高电池的一致性,避免使用期间因 SOC 差异造成不良后果1,2。均衡方法可分为被动均衡和主动均衡两种。被动均衡通过电池与电阻并联,对 SOC 较高的电池进行放电,该方法易于实现但能量损耗较大且均衡效率较低3。主动均衡通过控制电路,实现电池、电池组之间的能量转移,使得 SOC 趋于一致,降低了能量损耗,效率更高。根据有源器件的不同,主动均衡方法可分为变压器均衡技术和双向 DC-DC 变换器均衡技术,通过设计合适的均衡电路及均衡策略,在实现均衡的同时能够提高均衡的效率和速度。文献4以反激式变压器为核心,设计了一种主动均衡电路,实现了单体电池间的能量双向转移。文献5分别介绍了非耗散电感均衡和单端反激变换器均衡的方法。文献6提出一种以双向开关阵列为核心的双向 DC/DC 变换器均衡电路,以 SOC 极值和均值作为判据,提高了均衡效果。文献7以谐振电路为主,利用谐振软开关实现开关的零电流导通和截止,实现充电过程中的主动均衡。文献8引入标准差判断电池组的工作状态,根据判断结果对电池组 SOC 进行均衡控制。文献9基于自适应电路拓扑,采用 DBFCM 聚类算法实现电池单体聚类分组,对聚类完成的电池进行均衡操作。文献10以电池SOC 一致性为均衡目标,提出了一种基于 K-means 聚类分析的串联电池组主动均衡策略。文献11采用一种基于电感的桥式开关均衡电路控制方法,设计了基于 SOC 的锂电池充放电均衡系统。文献12基于可重构电池技术提出了二级均衡方法,组间采用可重构电路,组内采用 Buck-boost 电路,在达到对应的阈值时分别开启组间均衡与组内均衡。但未能实现组间与组内的同步均衡,效率较低。目前,锂电池均衡技术仍面临速度慢、效率低等问题。本文按照增加 SOC 较高的电池或电池组放电量,减少 SOC较低的电池或电池组放电量的原则进行均衡策略的设计与研究,将电池系统分为组间与组内两层,构建了双层均衡结构。结合组间和组内均衡策略,设计组间和组内的联合均衡控制方案。通过 Matlab/Simulink 进行仿真,放电模式下的仿真结果验证了所提策略的有效性,实验结果表明,与传统的求解方式相比,本文所提算法在组内均衡中对最优放电比例的求解有着更好的寻优结果。2 电池系统的两层均衡结构2.1 组间结构组间均衡结构如图 1 所示,n 个相互独立的电池组分别与双向 DC/DC 变换器并联,双向 DC/DC 变换器的输出端串联作为整个电池系统的母线。其中,母线电流为 Ib,各 DC/DC 变换器输入端电流即各电池组的电流为 In,各 DC/DC 输出端电压为 VDCn。母线连接发电系统与负载,实现整个电池系统的充放电,信息采集模块检测电池信息并将信息传递给控制中心,由控制中心给出均衡控制指令。由于直流母线输出功率是一定的,通过调节各 DC-DC变换器的输出电压 VDC来调节各电池组的输出电流,改变电池组的输出功率,对电池组进行组间均衡。该结构在实现组间均衡时,不会出现电池组间的能量转移,加快了均衡速度,提升了均衡效率。图 1 组间均衡结构图2.2 组内结构串联电池组由于电池内部结构的差异性,引起单体电池间的不一致13。近年来的研究多集中在基于能量转移技术的均衡方式14。可重构电路能够根据当前单体电池的状态,对电池的拓扑结构进行实时配置,在不影响其它电池的情况下,隔离不一致性较高的电池15。本文采用开关旁路型均衡拓扑结构16实现组内均衡,如图 2 所示,该均衡拓扑通过开关重构电池连接形式,改变单体电池充电和放电时长,实现电池组内均衡。均衡电流与充放电电流相等,均衡速度较快,开关函数如式(1)所示。Si=1Si0导通,Si1关断0Si0关断,Si1导通(1)3 基于荷电状态一致的两层均衡策略在电池系统均衡中,组间均衡的目标在于实现各电池组的 SOC 趋于一致;组内均衡的目标在于实现组内各单体电池的 SOC 趋于一致。根据信息采集模块获得的电池组电流 In,电池单体电压 un和总线电流 Ib等信息,控制中心给出 DC/DC 转换器中 PWM 信号的占空比和组内各开关导通与关断的状态向量,控制电池组的输出电压和各单体电池接入时间。本文先对组间和组内单独设计均衡策略,再构建联合均衡控制方案。901图 2 开关旁路型均衡拓扑3.1 组间均衡策略各电池组根据 SOC 按照比例系数 调节并联 DC-DC的输出电压 VDC-n,由 VDCn调节电池组的放电电流 In,控制电池组的放电量,实现组间均衡。实际应用中,为了防止因 DC-DC 输出端电压 VDCn过低引起电池组放电电流过高,根据锂电池的额定电流设定输出端电压的上下限。本文提出的组间均衡控制策略如图 3 所示。图 3 组间均衡控制图根据相邻两电池组 SOC 的偏差值,通过 PI 控制调节比例系数,此时两相邻电池组并联 DC/DC 变换器输出端电压如式(2)所示,其中,VB/n 为均衡后输出电压的期望值。DC/DC 变换器输出端分配的电压如式(3)所示,且满足式(4)所示约束条件。其中,VB为母线输出电压,Vmax和 Vmin为各 DC/DC 变换器输出端电压的上下限。在满足放电电流上限的情况下,对于 SOC 值较小的电池组,降低并联 DC/DC 输出端电压,减少其放电量,增加 SOC 值较高的电池组的放电量,与按照各电池组 SOC 所占整个电池系统的比例分配输出端电压的方式相比,有效提高了电池组间均衡的速率。V1i=1i2VB/nV1i+1=1i+12VB/n或V2i=2i2VB/nV1i+1=1i+12VB/n(2)VDC-i=(V1i+V2i)/2(3)1i+1i+1=1 或 2i+1i+1=1ni=1VDC-i=VBVmin VDC-i Vmax|(4)3.2 组内均衡策略组内均衡首先根据收集的单体电池的电压和电流值估算出此时各单体电池的 SOC 值,