串联锂离子电池组均衡策略研究_廖力.pdf

2023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计收稿日期：2022-06-28基金项目：国家自然科学基金面上项目(52177212)；太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室开放基金(HBSEES202102)作者简介：廖力(1979)，男，湖北省人，副教授，主要研究方向为储能技术、模糊综合评价理论。通信作者：徐雅雯串联锂离子电池组均衡策略研究廖力，徐雅雯，姜久春(湖北工业大学 电气与电子工程学院,湖北 武汉 430068)摘要：锂离子电池组的不一致性导致电池组增加过充电或过放电风险，使电池易于老化，进而使电池组的可用容量和寿命下降。基于此问题设计了一种改进的Buck-Boost均衡电路，使串联电池形成能量循环回路，提高均衡速度。根据锂离子电池的开路电压(OCV)-荷电状态(SOC)曲线的特点，将电压和荷电状态共同作为均衡变量。采用模糊逻辑控制(FLC)动态调节均衡电流，减少均衡时间，提高效率。在 Matlab/Simulink仿真平台上搭建了均衡系统，将传统Buck-Boost均衡电路与改进后的Buck-Boost均衡电路进行了比较，仿真结果表明，改进后Buck-Boost均衡电路的均衡时间缩短了34%。与均差算法相比，静态、充放电条件下FLC均衡时间分别减少了51%、48%、46%，能量效率提高4.88%，电池的不一致性降低。关键词：锂离子电池；电池组均衡；实时分段；模糊控制；电荷状态；仿真分析中图分类号：TM 912文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)01-0051-06DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.01.012Research on equalization strategy of serieslithium ion battery packLIAO Li,XU Yawen,JIANG Jiuchun(School of Electrical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan Hubei 430068,China)Abstract:The inconsistency of lithium ion battery pack increases the risk of overcharge or overdischarge,makes thebattery easy to age,and then reduces the available capacity and service life of the battery pack.Based on this,animproved buck boost equalization circuit is designed to make the series battery form an energy cycle circuit andimprove the equalization speed.According to the characteristics of open circuit voltage(OCV)-state of charge curveof lithium ion battery,voltage and state of charge(SOC)are taken as equilibrium variables.Fuzzy control(FLC)isused to dynamically adjust the equalization current,reduce the equalization time and improve the efficiency.Theequalization system is built on the Matlab/Simulink simulation platform.The traditional buck boost equalizationcircuit is compared with the improved buck boost equalization circuit.The simulation results show that theequalization time of the improved buck boost equalization circuit is reduced by 34%.Compared with the meandifference algorithm,the fuzzy logic control(FLC)reduces the FLC equalization time by 51%,48%and 46%respectively under static and charge discharge conditions,and improves the energy efficiency by 4.88%.Theinconsistency of the battery is effectively reduced.Key words:lithium ion battery;battery pack equalization;real time segmentation;fuzzy control;charge state;simulation analysis锂离子电池具有能量密度高、循环寿命长、自放电率低等优点，被广泛应用于电动汽车、移动通信设备、医疗设备等领域中。动力电池是电动汽车的主要动力来源和能量载体。由于单体电池的电压较低、容量较小，不足以满足汽车动力系统的要求，因此需要将大量单体电池通过串并联的方式形成电池组，以提高电压、增大容量1-2。由于各单体电池在生产制造过程和工作环境温度等方面存在差异，会出现容量不一致的状况，使得电池使用过程中出现“短板效应”，从而影响整体性能3。在频繁的充放电过程中，电池组的不一致性会加剧，从而影响到电池组的可用容量、使用寿命以及安全性。因此，锂电池均衡系统是锂电池组在使用过程中必不可少的组成部分。目前对于锂电池均衡管理系统已经有较多的研究方案，主要分为被动均衡和主动均衡4-6。主动均衡方案是利用储能元件实现高能量的锂电池向低能量的锂电池进行能量转移，从而提高整个锂电池组的能量利用率7-8。被动均衡方案是采用电阻放热的方式将高容量电池“多出的电量”进行释放，从而达到均衡的目的9。文献10提出了一种反激式拓扑均衡电路，该电路将能量从较高的单体电池转移到整个串联512023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计电池组中，并利用最优的算法避免多余的能量损耗。文献11提出了基于动态阈值的方法，对端电压实施动态设置，以减少各单体电池电压间的不一致性。文献12在文献11的基础上提出动态式双阈值主被动均衡控制策略，将主动均衡与被动均衡结合，并提出以电压、荷电状态(SOC)和温度作为输入量的动态式双阈值算法模型，从而提高均衡效率。文献13通过将串联电池构成的供电系统建模成图，提出了一种基于剩余电量一致性的算法，利用图论中的拉普拉斯矩阵的第二特征值来度量拓扑图中的代数连通性，进而缩短整个均衡时间。本文以 Buck-Bosst电路原理为基础14，提出了模糊控制均衡策略。1 电路均衡及模块化设计1.1 均衡电路拓扑结构均衡拓扑种类繁多，图论是一门研究图的理论性质的科学，而图示用于模糊对象间成对关系的数学结构，目前图论已被广泛应用于电网络分析中。单体对单体均衡拓扑结构可以分为相邻单体对单体拓扑结构和任意单体对单体均衡结构。相邻单体对单体拓扑结构中，均衡能量取自相邻两节电池中能量较高的电池15。储能元件以电感为例，能量传递的最短路径为 BiLiBi+1，最长路径为 B1L1B2Bn1Ln1Bn，其有向图如图 1(a)所示。任意单体对单体均衡结构中，能量来自单体电池中电压或容量最高的单体，传递到能量或电压较低的单体电池中16-17。储能元件以电容为例，任意两个单体电池需要进行均衡时，能量传递路径都是 Bi(C)Bj，其有向图如图1(b)所示。相邻电池单体间能量传递是双向的，当单体位置不相邻，单体间无直接连通的路径，有向图不完备，均衡电路的平均效率为2n(1-)-2(1-n)n(n-1)(1-)2，随着串联电池组单体数量的增加，均衡效率变低。1.2 均衡电路如图2所示，在传统的Buck-Boost电路中，相邻电池间的电池组成一个均衡模块，该模块使用电感来传输能量，其结构简单，均衡效率高。然而，不相邻的电池只能通过中间电池传输能量进行均衡，这增加了均衡时间和能量损耗。为了解决这个问题，提出了一种改进的Buck-Boost电路，如图3所示，在第一个电池和最后一个电池之间添加了一个不同的均衡模块，形成一个环形能量环路。当两个电池彼此相距较远时，它可以通过最小的中间电池传输能量。以Cell1和Cell5为例，如果它们需要均衡，则在传统的Buck-Boost电路中，通过 Cell2、Cell3和 Cell4传输能量，而在改进的 Buck-Boost 电路中，它们仅通过 Cell6来进行能量传递。如图 3所示，第一个和最后一个电池的均衡模块是由一个电阻R6和四个带有二极管的MOSFET组成，其他均衡模块由一个电阻R1、一个电感L1和两个MOSFET组成。在改进的Buck-Boost 电路中，所有电感均为 1 H，所有消磁电阻为 10k。所有模块均由MOSFET功率通过PWM控制。有两种类型的均衡过程。一种是第一个和最后一个电池均衡。以 Cell1和 Cell6为例，Cell1的能量高于 Cell6的能量，此均衡过程分为三个步骤。(1)Cell1的放电：当有放电控制信号时，Q6a打开，放电电路Cell1、Q6a、L6和D6c形成回路，电流流动方向如红色箭头所示。Cell1的电能被转换为L6的磁能。放电电流的表达方式为：idis=V1-VD1Ron(1-e-tRonL),t=0 ton(1)式中：V1为Cell1的电压；VD1为D6c的压降；Ron为放电电路的总电阻；L为L6的电感值；ton为Q6a的接通时间。(2)Cell6的充电：Q6d打开，L6的电流值达到最大值 imax，储存在L6中的磁能转化为电能。充电电路由Cell6、D6a、L6和Q6d组成，电流方向如图 3 所示。L6对 Cell6充电，直到 Cell6的能量等于Cell1的能量。充电电流表达式为:ichr=imaxe-(t-ton)RoffL-V6+VD2Roff1-e-(t-ton)RoffL,t=tontoff(2)式中：Roff为 Q6d接通时充电电路的电阻之和；V6为 Cell6的电压；VD2为D6b的传导压降；Toff为Q6a和Q6d的切换周期。(3)消磁：充电过程结束后，由 R6和 L6组成的电路会消耗储存在L6中的剩余能量，这样可以避免磁饱和。当 Cell6的能量高于 Cell1的能量时，可以通过控制 Q6b和Q6c来实现均衡。另一个均衡过程仅需要 MOSFET 管来完成相邻两个电图1单体对单体均衡拓扑结构图论模型图2传统Buck-Boost均衡电路拓扑图3改进的Buck-Boost均衡电路拓扑522023.1Vol.47No.1研 究 与 设 计池之间的均衡，均衡过程与第一个和最后一个电池相同。以Cell1和 Cell2为例，其中 Cell1的能量高于 Cell2的能量，前者在Q1a打开时放电，而后者在Q1a关闭时充电。2 均衡控制策略2.1 二阶RC电池模型在文献中，通常通过建立精确的电池模型来实现SOC的估算，使用广泛的电池模型有两个特点：(1)对于低级模型，容易实现，但难以准确地估计；(2)对于高级模型，基本可以获得精确的估计，但操作较为复杂。因此要选择一种既考虑实现难度，又考虑准确性的方法。本文选择二阶 RC 等效电路模型来构建电池模型，如图4所示。图 4中：UOCV代表开路电压，R0代表欧姆电阻，R1和 C1之间的并联表示具有