串联蓄电池组均衡电流控制方法研究_刘欣博.pdf

2023年第41卷第3期串联蓄电池组均衡电流控制方法研究刘欣博，施俊甫，黄学昊（北方工业大学 电气与控制工程学院，北京100144）0引言目前，蓄电池构成的储能系统广泛应用于微电网和新能源汽车等领域。为满足储能系统的电压和功率要求，需要将单体蓄电池通过串并联的形式组成蓄电池组。串并联蓄电池组各个单体电池由于生产和工作环境等原因，会产生不一致性1。单体蓄电池将直接影响整个电池组的寿命、容量等性能，为避免出现“短板效应”，需要及时对蓄电池进行均衡控制，从而消除差异，保证蓄电池组能量的基金项目 北京市教委科技项目“可灵活扩容的交流微网系统稳定运行控制”（KM201910009010）A b s t r a c t：Battery energy storage system is widely used in micro grid and new energy vehicles.In battery packs,theperformance of single battery will affect the performance of the entire battery pack.Therefore,it is necessary to balance thecontrol to eliminate the difference between the batteries and ensure the performance of the entire battery pack.This paperselects the series battery pack for equalization research,using the state of charge(SOC)as the equalization basis,selects asecond order RC equivalent circuit battery model,obtains the battery data by the hybrid pulse power characteristicexperiment,uses Matlab for parameter identification,and estimates the SOC according to the extended Kalman filterprinciple.Based on the equalization circuit of Cuk,the variance of each battery SOC is used as the judgment condition tocontrol the equalization of the battery.The simulation and experiment verify the rationality of the battery model of thesecondorder RC equivalent circuit,the accuracy of SOC estimation based on extended Kalman filter,and the equalizationcurrent control strategy based on Cuk equalization circuit,which achieves equalizing current control.K e yw o r d s：equalization current;Cuk circuit;quantitative control;SOC estimation;extended Kalman filterRe s e a r c ho nCo n t r o l M e t h o do fEq u a l i z i n gCu r r e n tf o rSe r i e sBa t t e r yPa c k sLIU Xinbo,SHI Junfu,HUANG Xuehao（School of Electrical and Control Engineering,North China University of Technology,Beijing100144,China）摘要：蓄电池储能系统广泛应用于微电网和新能源汽车等领域，在蓄电池组中，单体蓄电池的性能会影响整个电池组的性能，需要均衡控制消除蓄电池间的差异性，保证整个蓄电池组的使用性能。针对以上问题，选择串联蓄电池组进行均衡研究，以荷电状态（State of Charge，SOC）作为均衡依据，选取二阶RC等效电路的电池模型，通过混合脉冲功率特性实验得到电池数据，用Matlab进行参数辨识，根据扩展卡尔曼滤波原理对SOC进行估计。基于Cuk均衡电路，以各蓄电池SOC的方差作为判断条件控制蓄电池组的均衡工作开启。仿真和实验验证了二阶RC等效电路的电池模型合理性和基于扩展卡尔曼滤波估计SOC的准确性，以及基于Cuk均衡电路的均衡电流控制策略的有效性，实现了均衡电流控制。关键词：均衡电流；Cuk电路；定量控制；SOC估计；扩展卡尔曼滤波文献标志码：A文章编号：1008-6218（2023）03-0026-10中图分类号：TM912doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0036引用格式：刘欣博，施俊甫，黄学昊.串联蓄电池组均衡电流控制方法研究J.内蒙古电力技术，2023，41（3）：2635.LIU Xinbo,SHI Junfu,HUANG Xuehao.Research on Control Method of Equalizing Current for Series Battery PacksJ.InnerMongolia Electric Power,2023,41(3):2635.内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER26高效利用。如何准确地建立电池模型以实现电池数据监测、荷电状态（State of Charge，SOC）估算等一直是研究重点。Rint是等效电路模型中最为简单的内阻模型，但容易受电池状态及环境变化的影响，文献2对Rint模型改进，将电池内阻分为欧姆电阻和极化内阻。Thevenin在Rint的基础上添加了一个RC环节，文献3研究表明一阶RC等效电路欧姆内阻参数的变化具有复杂的动力学行为。PNGV模型在Thevenin模型的基础上增加了一个电容4-5，但是精度提升有限，运算更为复杂。GNL模型在PNGV模型的基础上串联了两个RC环节，结构更加复杂，精度更高，能够较好地体现蓄电池的化学特性和电特性6-7。Massimo Ceraolo模型虽然精度很高，但是过于复杂，参数辨识难度很大8。随着锂电池种类和模型的快速发展，SOC的估计方法也增多。安时积分法不适合长时间估计SOC，长期单独使用将会引入较大的误差，仅适用于短时内准确估计SOC9。文献10-11通过精简的开路电压法快速并相对准确地估算了磷酸铁锂电池的SOC。为了解决安时积分法不能确定电池SOC初始值和开路电压法需要电池长时间静置的问题，文献12提出使用安时积分法与开路电压法相结合的方法估计电池SOC值。放电实验法是通过放电的形式进行SOC估计，但需要将电池停止工作，并且放电时间较长，不适用于在线估计SOC。卡尔曼滤波算法主要通过噪声方差和递归的协方差矩阵修正目标状态，对SOC的估计精度较高，对初始值依赖小，自适应能力强13-16。文献17-19应用神经网络算法对电池 SOC 进行事实估计，但在实际使用前，需要建立合适的网络模型并输入大量的样本数据进行训练与学习，准备工作较为复杂。目前，实现电池组的均衡控制，主要的方法是在拓扑中加装均衡电路20。均衡电路拓扑按照能量耗散方式可分为主动均衡和被动均衡，被动均衡主要是通过外接电阻实现分流放电进行均衡，速度慢，均衡效率低，虽然文献21重新设计与改造了被动均衡电路，能量损耗和均衡时间都有所减少，但是主动均衡控制已成为近几年的主要研究对象。主动均衡主要利用储能元件，采用集中控制等方法实现电池能量的转移22-23。电容均衡具有反应速度快、功率密度高和循环寿命长等优点，适用于电池均衡电路24，但基于储能电容的均衡电路只能以端电压为均衡准则，不能实现SOC均衡，当两节电池电压相差较小时，均衡速度较慢。文献25提出了一种基于串并联开关电容的均衡电路，将最大电压电池中的能量高效快速地转移到其他小电压电池中，缩短了能量传输路径，提高了均衡速度。电感型均衡电路均衡速度快，均衡效率高，但是开关控制复杂26。文献27提出了一种混合开关电容和开关电感的新型均衡电路，其与传统开关电容均衡电路相比具有更快的均衡速度。文献28对经典Buck-Boost电路进行改进后作为串联电池组均衡单元，开关器件有所减少，可实现低功耗高效率。传统的Buck-Boost变换器均衡电路控制简单，均衡速度快，能量损耗小，但是当两节电池距离较远时，能量逐级传递，不仅增加了均衡时间，也降低了均衡效率29。Cuk变换器均衡电路可以实现相邻两节电池间的能量转移，均衡电流连续，具有更高的均衡速度30。本文主要针对串联蓄电池组的差异性问题进行均衡研究，选用二阶RC等效电路作为电池模型，对比常用的几种均衡拓扑，选择基于Cuk的均衡电路作为主电路，并制定相应的均衡电流控制策略，最大电流设计为40 A。采用SOC作为均衡依据，通过混合脉冲功率特性（Hybrid Pulse Power Charaterzation，HPPC）实验进行参数辨识，使用扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter，EKF）对SOC进行估计。选用额定容量为60 Ah，额定电压为3.3 V的磷酸铁锂动力蓄电池进行实验，在硬件平台实现均衡电流控制。1均衡方案整体设计1.1均衡依据判断蓄电池不平衡的标准主要有单体电池的端电压和单体电池的SOC。在进行均衡控制时，电池端电压与SOC具有一一对应的关系，通过比较各蓄电池的端电压进行均衡控制31，但当电池在动态过程中或大电流下，电池端电压与SOC呈非线性关系，当SOC在40%80%时，端电压变化不明显，当SOC在040%以及80%100%时，端电压变化相对明显。当电池处于充放电状态下时，因为电池的内部结构和极化效应的影响，电池端电压还会出现上升和下降的现象。随着蓄电池的使用，其内阻会逐渐增大，容量将减小，这就导致开路端电压与SOC的对应关系逐渐改变。而SOC估计能够增加电池寿命和温度等2023年第41卷第3期刘欣博，等：串联蓄电池组均衡电流控制方法研究27影响SOC的因素系数，从而避免电池的SOC估计不准确。同时，针对不同的工作电流，电池的端电压也不一样，并不能表示出电池的剩余电量，而SOC可以直接表示。因此本文以单体蓄电池的SOC作为均衡依据，对串联蓄电池组进行控制。1.2均衡拓扑选择根据本文所控制的均衡电流，均衡拓扑选择基于 Cuk 变换器的均衡电路。该均衡电路类似于Buck-Boost的双向均衡电路，可实现能量的双向流动，但相较于Buck-Boost的双向均衡电路的蓄电池电流，基于Cuk的双向均衡电路的蓄电池电流可以连续流动。基于 Cuk 的双向双层桥臂均衡电路如图 1 所示。该均衡电路主要分为两部分，左半部分为双层桥臂结构，用来选择需要进行均衡控制的单体蓄电池；右半部分为基于Cuk的均衡主电路，执行均衡功能，控制能量的双向流动。B1BN为蓄电池组，双向桥臂开关矩阵电路由上、下桥臂功率开关矩阵S构成，均由n对反向串联的功率MOSFET开关组成的双层功率开关矩阵。均衡主电路是双向Cuk电路，由储能元件电感L1、L2，电容C，电压源E，两个主控开关Q1和Q2构成，D1和D2为二极管，通过主控开关的脉宽调制控制（Pulse Width Modulation，PWM）使均衡能量在单体电池与均衡电路之间转移。电池组充电时通过降低电池