鋰電池組新型分層均衡控制策略

張人杰,李聰

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學 汽車工程學院）

0 引言

隨著全世界能源危機的不斷加深，石油資源的不斷枯竭，人們環(huán)保意識的提高，以燃燒化石燃料作為動力的傳統(tǒng)汽車的發(fā)展將會受到很大限制。新能源電動汽車與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車不同，它是以車載電池釋放的電力為動力源，零排放，噪聲低，熱效率高，這種新能源汽車更適合人類的發(fā)展，將是以后發(fā)展的主要方向[1]。車載電池為新能源車提供動力，所以，它的性能對新能源汽車的性能有很大影響，決定著新能源汽車的未來發(fā)展[2-4]。然而，動力電池的材料和制造工藝之間一直存在差異，使電池之間產(chǎn)生差異性，即使是同型號的電池也存在這種差異性，而且在使用時間變長以后，電池的差異性會被放大，導致電池充放電不均衡，使電池性能惡化，因此，需要均衡技術(shù)，檢測電池的運行狀態(tài)。并利用均衡設(shè)備改善電池之間的差異性[5-7]。

均衡電路分為被動式均衡和主動式均衡，還有混合式均衡[8]。被動均衡是能耗式均衡，均衡方式是單體電池和電阻并聯(lián)，多余的熱能可以通過電阻消耗掉，但缺點是能量的損失較大，且在啟動均衡后會產(chǎn)生大量的熱，增加了熱管理的難度，并造成能量浪費[9-10]；主動均衡是非耗散式均衡，通過能量轉(zhuǎn)移的方式完成，分為均衡能量在電池內(nèi)部流動和由外部電源補充能量2 種方式。混合均衡中有被動均衡，也有主動均衡，它采用了兩者相結(jié)合的方式實現(xiàn)[11-13]。

本文的均衡策略是在傳統(tǒng)均衡技術(shù)的基礎(chǔ)上進行了總結(jié)和改進而提出的，所以本文提出的電池基于模塊化的均衡策略吸取傳統(tǒng)均衡技術(shù)的優(yōu)點，同時又克服了傳統(tǒng)均衡技術(shù)的一些缺點[14-15]。該均衡策略的底層模塊采用的多電平橋臂電路和單體電池并聯(lián)的方式，頂層是以電感作為能量轉(zhuǎn)移載體的新型均衡系統(tǒng)。

1 分層均衡電路的電路結(jié)構(gòu)分析

單體電池串聯(lián)在電路中工作時會出現(xiàn)電池充放電不一致，考慮到現(xiàn)存均衡電路的均衡速度慢，效率低，本文針對此設(shè)計了一種能夠有效解決這些問題的均衡體系。

本文把單體電池分為多個模塊，所設(shè)計的均衡結(jié)構(gòu)也分為2 層，頂層均衡和底層均衡，如圖1 所示。底層均衡結(jié)構(gòu)主要是對于模塊內(nèi)起均衡作用，而頂層均衡策略主要是對于模塊之間的均衡控制起作用。頂層均衡控制策略和底層均衡控制策略是不同的，且他們之間不相互影響。

圖1 分層均衡體系示意圖Fig.1 Schematic diagram of hierarchical equalization

這種兩分層均衡結(jié)構(gòu)的特點是在跨模塊的長距離能量傳遞時，只需要經(jīng)過很少的單體電池，而在短距離傳遞的過程中，可通過底層均衡策略快速達到均衡，提高效率。

1.1 底層模塊內(nèi)的均衡電路

在底層均衡電路中，單體電池串聯(lián)起來的同時，每個單體電池都再并聯(lián)一個多電平橋臂電路，通過改變橋臂電路中開關(guān)的狀態(tài)，實現(xiàn)單體電池接入電路之中，或者是被旁路，這樣均衡速度更快，效率更高。其系統(tǒng)連接如圖2 所示。

圖2 底層均衡系統(tǒng)圖Fig.2 Bottom layer equalization system diagram

在圖2 中，開關(guān)T 是低壓的MOSFET，在其內(nèi)部置有反并聯(lián)二級管。圖中的電容是高頻濾波電容，用于降低電流階躍變化時對電池模組的影響。每個多電平橋臂結(jié)構(gòu)有4 種不同的狀態(tài)，分別是：充電狀態(tài)，充電旁路狀態(tài)，放電狀態(tài)，放電旁路狀態(tài)。如圖3 所示：充電狀態(tài)時，開關(guān)T1 打開，保持ON 狀態(tài)，T2 截止，保持OFF 狀態(tài)；旁路狀態(tài)時，T1 截止，保持OFF 狀態(tài)，T2 導通，保持ON 狀態(tài)。放電狀態(tài)時，T1 導通，保持ON狀態(tài)，T2 截止，保持OFF 狀態(tài)。

圖3 開關(guān)狀態(tài)Fig.3 Switch status

在底層均衡模塊中，如果有電池出現(xiàn)過充現(xiàn)象，可以讓它處于旁路狀態(tài)，脫離充電體系；當電池中有過度放電情況時，可通過多級橋臂電路將該電池置于旁路，脫離放電體系。結(jié)束充放電狀態(tài)，就可以防止電池發(fā)生過充和過放的情況，也就能達到高效、快速的均衡效果。

1.2 頂層模塊的均衡電路

頂層均衡是電池模組之間的均衡，轉(zhuǎn)移能量時需要實現(xiàn)跨越多個單體電池，轉(zhuǎn)移的能量距離較遠。頂層均衡是電感均衡，轉(zhuǎn)移能量的載體是電感。圖4、圖5 是頂層電路中單個模塊的均衡電路。它是基于MOSFET 開關(guān)的外電壓均衡拓撲結(jié)構(gòu)，屬于非耗散性電路，主要的原器件包括MOSFET 開關(guān)和電感L。在電路中，每個模塊首尾兩端都連接2 個MOSFET 開關(guān)和二級管，M 開關(guān)通過DCbus+和DCbus-總線與電感原件連接。均衡單元通過控制MOSFET 開關(guān)的連通順序來實現(xiàn)能量在各個模塊中雙向轉(zhuǎn)移。

在圖4 中，二極管可以限制電流的流向，讓電流沿著一個方向流動，這樣可以仿真電路在某些時候短路。電感主要是用來存儲電能和給模塊充電，頂層的均衡主要由2 個階段實現(xiàn)，第1 個階段是電量較高的電池組模塊放電，如圖4 所示M1 和M3 打開，M2 和M4 關(guān)閉，電池模塊給電感L 充電，即充電階段；第2 個階段是電感L 放電，M1 和M3 截止，M2 和M4 導通，電感給電量較低的電池組充電，即放電過程，兩個階段交替進行就可以實現(xiàn)電池組跨模塊能量傳遞，從而達到均衡效果。

圖4 頂層模塊充電原理Fig.4 Top-level module charging principle

圖5 頂層模塊放電原理Fig.5 Top-level module discharging principle

2 均衡控制策略

2.1 底層模塊均衡控制策略

在底層電路中，串聯(lián)電池被劃分為數(shù)個模塊，每個模塊由相同數(shù)量的單體電池串聯(lián)組成，在工作時，每個模塊要保證有一節(jié)電池處于旁路狀態(tài)。本文的均衡依據(jù)是電池的SOC 值。在充電過程中，在固定周期內(nèi)對該模塊內(nèi)單體電池的SOC 進行檢測，找出其中SOC 值最大的單體電池進行旁路，使它脫離充電體系，同樣，在放電過程中，在固定周期內(nèi)對單體電池的SOC 值進行檢測，選出其中最小的SOC 值單體電池并把該電池進行旁路，使它脫離放電體系。控制周期的值對電路均衡有很大影響，周期越小，均衡精度越高，但是需要M 開關(guān)的工作次數(shù)也越多，開關(guān)的損耗也越大。在工作狀態(tài)時，在滿足均衡精度的前提下需要控制周期，減小開關(guān)的損耗；同時，周期的控制還與單體電池的數(shù)量和電體電池SOC 值的采集速度有關(guān)系。一般的控制周期在微秒級別，所以不用考慮充放電電流對其的影響。

2.2 頂層模塊均衡控制策略

頂層均衡是在各個模塊間進行的，模塊的SOC 值將被做為頂層均衡的均衡依據(jù)，但直接取每個模塊的SOC 平均值作為依據(jù)，均衡的精度會有所降低，所以取模塊內(nèi)均衡過后的SOC 平均值做為均衡依據(jù)。Mi 模塊內(nèi)經(jīng)過底層均衡后，該模塊的SOC 平均值為

式中：SOC——模塊內(nèi)第k 節(jié)單體電池的SOC 值。

電路工作時，比較各個模塊內(nèi)均衡后的SOC平均值，找出電路中SOC 平均值相差最大的2個模塊，且這兩個模塊的SOC 平均值的差異到一定程度，開啟均衡，通過均衡電路讓能量從SOC 值最高的模塊流向SOC 值最低的模塊。

圖6 是3 個模塊均衡電路結(jié)構(gòu)圖，其工作過程為：當模塊1 的SOC 值最高，模塊3 的SOC值最低時，打開開關(guān)M1和M7，模塊1對電感充電；當電感L 上的電感電流上升至峰值電流時，關(guān)閉開關(guān)M1 和M7，同時打開開關(guān)M4 和M6，電感對模塊3 進行充電。

圖6 頂層均衡電路圖Fig.6 Top-level equalization circuit diagram

3 均衡電路模塊仿真及結(jié)果分析

根據(jù)本文所設(shè)計的均衡電路及控制策略，用MATLAB/Simulink 實現(xiàn)均衡電路仿真模型的搭建。本文從在底層模塊內(nèi)的均衡、跨模塊長距離的均衡、傳統(tǒng)均衡策略幾個方面來進行試驗，以驗證本文提出的均衡策略。在均衡仿真里，驅(qū)動開關(guān)的PWM 開關(guān)頻率設(shè)置10 kHz，開關(guān)的占空設(shè)置比為50%，單體電池都是鋰離子電池，電池的額定電壓為3.7 V，電池額定容量為10 A。電池組的能量轉(zhuǎn)移效率的公式為

式中：ΔSOCgetCe——在整個均衡進行的過程中所有SOC 增加的單體電池所得到的電量之和；ΔSOClossCe——在均衡過程中那些失去SOC 的單體電池所失去的電量之和。

3.1 底層模塊均衡仿真

在對于底層模塊內(nèi)的仿真中，對該模塊內(nèi)的各個單體電池的SOC 初始值設(shè)置見表1。

表1 電池初始SOC 值設(shè)置Tab.1 Initial battery SOC value setting

最后經(jīng)過仿真，得出最后的均衡圖見圖7。

圖7 底層均衡仿真結(jié)果Fig.7 Bottom layer equalization simulation results

從均衡圖中可以看出，最終SOC 均衡值在45.2%～45.5%之間，均衡所需要的時間為700 s,最終轉(zhuǎn)移能量效率為85.34%。

3.2 跨模塊的長距離均衡

在頂層均衡的仿真策略中，我們設(shè)置B2的SOC 初始值為48%，B17 的SOC 初始值為42%，為了研究簡化，設(shè)置其余部分電池的SOC的初始值為45%，經(jīng)過仿真得出均衡效果圖如圖8 所示。

圖8 頂層長距離均衡仿真結(jié)果Fig.8 Top-level long-distance equalization simulation results

從仿真圖可以得到，最終SOC 均衡值為44.991%，最終均衡時間為710 s，均衡能量轉(zhuǎn)移效率為46.89%。可見本文提出均衡方案跨模塊的傳遞中能夠很好地提高傳遞效率和均衡時間。

3.3 傳統(tǒng)的均衡模型與兩層均衡模型比較

在對均衡電路研究中，比較了2 種均衡模型的均衡速度，用本文的均衡策略和傳統(tǒng)的均衡策略做了對比實驗，在文中用到的傳統(tǒng)均衡模型是一種典型的均衡均衡模型，如圖9 所示[11]，理論上，實驗中電池數(shù)量可以無限多，但考慮到均衡系統(tǒng)控制的復(fù)雜性，本次實驗選擇16 節(jié)電池，16 節(jié)電池的SOC 初始值如表2 所示。

圖9 傳統(tǒng)模型的均衡模型Fig.9 Equilibrium model of traditional model

表2 電池初始SOC 值Tab.2 Battery initial SOC value

傳統(tǒng)均衡模型和本文提出的均衡模型的仿真結(jié)果分別如圖10—圖11 所示。

圖10 傳統(tǒng)模型均衡圖Fig.10 Traditional model equilibrium graph

由圖10—圖11 可以看到2 種不同模型的SOC 均衡曲線結(jié)果，傳統(tǒng)均衡模型是在2 100 s左右達到均衡，而本文提出的均衡模型在780 s左右達到均衡，本文提出的均衡策略和以往的傳統(tǒng)均衡策略相比能夠有效減少均衡時間，均衡效率更高。

圖11 本文提出的均衡策略圖Fig.11 Equilibrium strategy diagram presented in this paper

4 結(jié)論

本文提出了分層均衡控制策略，設(shè)計了底層和頂層均衡電路，分析了底層均衡和頂層均衡的工作原理。根據(jù)電路的特點作了均衡控制策略，并展示了它的效能和優(yōu)越性。本文提出的均衡策略無論是模組內(nèi)還是在模組間都能達到預(yù)期的均衡效果，能夠延長電池的預(yù)期壽命。同時，本文提出的均衡策略在與以前的傳統(tǒng)均衡進行對比后顯示，本文提出的均衡速度更快，達到均衡的時間更短。

本文設(shè)計的均衡方案雖然能夠完成電池的均衡，但是底層均衡結(jié)構(gòu)還是比較復(fù)雜，均衡技術(shù)還需進一步提高，接下來還需要優(yōu)化底層均衡電路結(jié)構(gòu)和控制策略，進行大量的仿真實驗，獲得更多的參數(shù)，來使得均衡系統(tǒng)更加高效可靠。