锂电池组新型分层均衡控制策略
发布时间：2021-05-13
[摘要]串联的单体电池在工作过程中会表现出不一致性，单体电池的不一致性会影响电池的使用性能和寿命，根据这个问题，设计提出了一种新型均衡控制策略。该控制策略把电池组分为2层，分别为底层和顶层，底层和顶层使用不同的控制策略，且底层和顶层控制策略是相互独立的。底层为多电平桥臂电路和单体电池并联的方式，顶层是以电感作为能量转移载体的均衡方式。最后用MATLAB搭建仿环境，用仿真验证新型控制策略的有效性。
[关键词]动力电池;不一致性;分层均衡;电池管理系统
0引言
随着全世界能源危机的不断加深，石油资源的不断枯竭，人们环保意识的提高，以燃烧化石燃料作为动力的传统汽车的发展将会受到很大限制。新能源电动汽车与传统内燃机汽车不同，它是以车载电池释放的电力为动力源，零排放，噪声低，热效率高，这种新能源汽车更适合人类的发展，将是以后发展的主要方向[1]。车载电池为新能源车提供动力，所以，它的性能对新能源汽车的性能有很大影响，决定着新能源汽车的未来发展[2-4]。然而，动力电池的材料和制造工艺之间一直存在差异，使电池之间产生差异性，即使是同型号的电池也存在这种差异性，而且在使用时间变长以后，电池的差异性会被放大，导致电池充放电不均衡，使电池性能恶化，因此，需要均衡技术，检测电池的运行状态。并利用均衡设备改善电池之间的差异性[5-7]。
均衡电路分为被动式均衡和主动式均衡，还有混合式均衡[8]。被动均衡是能耗式均衡，均衡方式是单体电池和电阻并联，多余的热能可以通过电阻消耗掉，但缺点是能量的损失较大，且在启动均衡后会产生大量的热，增加了热管理的难度，并造成能量浪费[9-10];主动均衡是非耗散式均衡，通过能量转移的方式完成，分为均衡能量在电池内部流动和由外部电源补充能量2种方式。混合均衡中有被动均衡，也有主动均衡，它采用了两者相结合的方式实现[11-13]。
本文的均衡策略是在传统均衡技术的基础上进行了总结和改进而提出的，所以本文提出的电池基于模块化的均衡策略吸取传统均衡技术的优点，同时又克服了传统均衡技术的一些缺点[14-15]。该均衡策略的底层模块采用的多电平桥臂电路和单体电池并联的方式，顶层是以电感作为能量转移载体的新型均衡系统。
1分层均衡电路的电路结构分析
单体电池串联在电路中工作时会出现电池充放电不一致，考虑到现存均衡电路的均衡速度慢，效率低，本文针对此设计了一种能够有效解决这些问题的均衡体系。
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本文把单体电池分为多个模块，所设计的均衡结构也分为2层，顶层均衡和底层均衡，如图1所示。底层均衡结构主要是对于模块内起均衡作用，而顶层均衡策略主要是对于模块之间的均衡控制起作用。顶层均衡控制策略和底层均衡控制策略是不同的，且他们之间不相互影响。
这种两分层均衡结构的特点是在跨模块的长距离能量传递时，只需要经过很少的单体电池，而在短距离传递的过程中，可通过底层均衡策略快速达到均衡，提高效率。
1.1底层模块内的均衡电路
在底层均衡电路中，单体电池串联起来的同时，每个单体电池都再并联一个多电平桥臂电路，通过改变桥臂电路中开关的状态，实现单体电池接入电路之中，或者是被旁路，这样均衡速度更快，效率更高。其系统连接如图2所示。
在图2中，开关T是低压的MOSFET，在其内部置有反并联二级管。图中的电容是高频滤波电容，用于降低电流阶跃变化时对电池模组的影响。每个多电平桥臂结构有4种不同的状态，分别是：充电状态，充电旁路状态，放电状态，放电旁路状态。如图3所示：充电状态时，开关T1打开，保持ON状态，T2截止，保持OFF状态;旁路状态时，T1截止，保持OFF状态，T2导通，保持ON状态。放电状态时，T1导通，保持ON状态，T2截止，保持OFF状态。
在底层均衡模块中，如果有电池出现过充现象，可以让它处于旁路状态，脱离充电体系;当电池中有过度放电情况时，可通过多级桥臂电路将该电池置于旁路，脱离放电体系。结束充放电状态，就可以防止电池发生过充和过放的情况，也就能达到高效、快速的均衡效果。
1.2顶层模块的均衡电路
顶层均衡是电池模组之间的均衡，转移能量时需要实现跨越多个单体电池，转移的能量距离较远。顶层均衡是电感均衡，转移能量的载体是电感。图4、图5是顶层电路中单个模块的均衡电路。它是基于MOSFET开关的外电压均衡拓扑结构，属于非耗散性电路，主要的原器件包括MOSFET开关和电感L。在电路中，每个模块首尾两端都连接2个MOSFET开关和二级管，M开关通过DCbus+和DCbus-总线与电感原件连接。均衡单元通过控制MOSFET开关的连通顺序来实现能量在各个模块中双向转移。
在图4中，二极管可以限制电流的流向，让电流沿着一个方向流动，这样可以仿真电路在某些时候短路。电感主要是用来存储电能和给模块充电，顶层的均衡主要由2个阶段实现，第1个阶段是电量较高的电池组模块放电，如图4所示M1和M3打开，M2和M4关闭，电池模块给电感L充电，即充电阶段;第2个阶段是电感L放电，M1和M3截止，M2和M4导通，电感给电量较低的电池组充电，即放电过程，两个阶段交替进行就可以实现电池组跨模块能量传递，从而达到均衡效果。
2均衡控制策略
2.1底层模块均衡控制策略
在底层电路中，串联电池被划分为数个模块，每个模块由相同数量的单体电池串联组成，在工作时，每个模块要保证有一节电池处于旁路状态。本文的均衡依据是电池的SOC值。在充电过程中，在固定周期内对该模块内单体电池的SOC进行检测，找出其中SOC值最大的单体电池进行旁路，使它脱离充电体系，同样，在放电过程中，在固定周期内对单体电池的SOC值进行检测，选出其中最小的SOC值单体电池并把该电池进行旁路，使它脱离放电体系。控制周期的值对电路均衡有很大影响，周期越小，均衡精度越高，但是需要M开关的工作次数也越多，开关的损耗也越大。在工作状态时，在满足均衡精度的前提下需要控制周期，减小开关的损耗;同时，周期的控制还与单体电池的数量和电体电池SOC值的采集速度有关系。一般的控制周期在微秒级别，所以不用考虑充放电电流对其的影响。
3均衡电路模块仿真及结果分析
根据本文所设计的均衡电路及控制策略，用MATLAB/Simulink实现均衡电路仿真模型的搭建。本文从在底层模块内的均衡、跨模块长距离的均衡、传统均衡策略几个方面来进行试验，以验证本文提出的均衡策略。在均衡仿真里，驱动开关的PWM开关频率设置10kHz，开关的占空设置比为50%，单体电池都是锂离子电池，电池的额定电压为3.7V，电池额定容量为10A。电池组的能量转移效率的公式为
3.2跨模块的长距离均衡
在顶层均衡的仿真策略中，我们设置B2的SOC初始值为48%，B17的SOC初始值为42%，为了研究简化，设置其余部分电池的SOC的初始值为45%，经过仿真得出均衡效果图如图8所示。
从仿真图可以得到，最终SOC均衡值为44.991%，最终均衡时间为710s，均衡能量转移效率为46.89%。可见本文提出均衡方案跨模块的传递中能够很好地提高传递效率和均衡时间。
3.3传统的均衡模型与两层均衡模型比较
在对均衡电路研究中，比较了2种均衡模型的均衡速度，用本文的均衡策略和传统的均衡策略做了对比实验，在文中用到的传统均衡模型是一种典型的均衡均衡模型，如图9所示[11]，理论上，实验中电池数量可以无限多，但考虑到均衡系统控制的复杂性，本次实验选择16节电池，16节电池的SOC初始值如表2所示。
4结论
本文提出了分层均衡控制策略，设计了底层和顶层均衡电路，分析了底层均衡和顶层均衡的工作原理。根据电路的特点作了均衡控制策略，并展示了它的效能和优越性。本文提出的均衡策略无论是模组内还是在模组间都能达到预期的均衡效果，能够延长电池的预期寿命。同时，本文提出的均衡策略在与以前的传统均衡进行对比后显示，本文提出的均衡速度更快，达到均衡的时间更短。
本文设计的均衡方案虽然能够完成电池的均衡，但是底层均衡结构还是比较复杂，均衡技术还需进一步提高，接下来还需要优化底层均衡电路结构和控制策略，进行大量的仿真实验，获得更多的参数，来使得均衡系统更加高效可靠。——论文作者：张人杰,李聪
