電池組用荷電狀態(tài)均衡充電模糊控制策略

邱斌斌，王智弘，李 程，吳鐵山

（國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，長沙 410004）

引言

磷酸鐵鋰電池因其具有充放電電壓平穩(wěn)、環(huán)保、無記憶性等優(yōu)點，是電動汽車動力電源的最佳選擇之一[1]。由于其額定電壓平臺為3.2 V且單體電池輸出容量有限，使用過程中大多由多節(jié)單體電池先并聯(lián)成一模塊，再由并聯(lián)模塊串聯(lián)而成，以滿足儲存容量和電壓等級的需要[1-4]。

由于單體電池生產(chǎn)過程中性能參數(shù)的分散性，在電池組并、串聯(lián)使用過程中隨著充放電次數(shù)的增加，單體電池間的容量分散性會逐漸增大，從而導(dǎo)致動力電池組性能下降和循環(huán)壽命縮短[5-10]。為此，需對動力電池組進(jìn)行均衡充電，達(dá)到降低單體電池不一致性的影響，改善動力電池組性能，延長電動汽車?yán)m(xù)駛里程。

現(xiàn)有動力電池均衡技術(shù)大多數(shù)基于外電壓均衡。文獻(xiàn)[2]指出基于電池外電壓均衡并沒有抓住電池組一致性問題產(chǎn)生的內(nèi)部本質(zhì)因素，也沒有有效的提高電池組的可用容量，其提出可利用容量和荷電狀態(tài)SOC（state of charge）作為電池組一致性均衡充電判據(jù)，同時指出基于容量均衡不適用于在線均衡方案；文獻(xiàn)[3]指出蓄電池工作時端電壓的均衡并不意味著各電池的容量是相同的，各單體電池的SOC均衡才是需要控制的目標(biāo)。

本文研究了一種磷酸鐵鋰動力電池組主動均衡管理系統(tǒng)，主動均衡是相對于被動均衡而言的一種均衡方式，指的是利用主動電氣元件實現(xiàn)電池組容量均衡的方式，而被動均衡是通過電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)來達(dá)到均衡充電效果。該系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)、電池均衡充電系統(tǒng)和整車組成。單體電池SOC的估計是通過自適應(yīng)擴展Kalman濾波法應(yīng)用于電池二階等效電路模型來實現(xiàn)的，在估計SOC的同時對未知噪聲的均值和方差進(jìn)行實時預(yù)測和修正，從而降低了未知噪聲對SOC估計的影響，該算法的精確性和可行性可滿足工程要求。通過在電池管理系統(tǒng)中嵌入自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對電池SOC進(jìn)行實時估計，利用模糊邏輯控制FLC（fuzzy logic controller）策略分別對單體電池均充系統(tǒng)輸出電流大小進(jìn)行控制，既能實現(xiàn)動力電池組快速充電，又能實現(xiàn)電池組SOC均衡充電。各管理子系統(tǒng)及均充子系統(tǒng)與上位機之間通過控制器局域網(wǎng)CAN（controller area net）總線進(jìn)行通信。為驗證所使用的均衡充電控制策略，對48 V/200 AH磷酸鐵鋰動力電池組展開了充電模式下的系統(tǒng)均衡實驗，實驗結(jié)果表明了該控制策略的有效性。

1 主動均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用的磷酸鐵鋰動力電池組主動均衡系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。本系統(tǒng)主要由電池管理系統(tǒng)、電池均衡充電系統(tǒng)和整車控制器3部分組成。圖1中，整車控制器通過USB-CAN總線適配器與電池管理系統(tǒng)的CAN總線相連接，實現(xiàn)了對電池管理系統(tǒng)電池信息的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

圖1 主動均衡系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of active equalization system

電池管理系統(tǒng)一般由n個單體電池管理模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)中4節(jié)單體電池管理模塊連接方式如圖2所示。圖2中，單體電池管理模塊之間采用CAN總線進(jìn)行通信和連接。單體電池管理模塊各自分別引出兩根插接頭與單體電池相連接，可隨時插拔單體電池，并對單體電池進(jìn)行管理。

電池均衡充電系統(tǒng)由n節(jié)單體電池均充模塊組成，各均充模塊的輸入電壓為串聯(lián)電池組電壓值，通過植入單體電池管理模塊中的模糊邏輯控制策略可對單體電池均充模塊的使能進(jìn)行控制，并可調(diào)節(jié)均充模塊的輸出電流大小。

圖2 單體電池管理模塊連接方式Fig.2 Connected cable of single battery manage model

1.2 單體電池管理模塊

單體電池管理電路包括了單體電池檢測單元與單體電池均衡充電單元兩部分，如圖3所示。單體電池檢測單元包括智能芯片（ECU）、分壓電路、電流傳感器、濾波電路、電池電壓采樣、電流采樣以及溫度采樣；單體電池均衡充電單元包括DC/DC電路、光電耦合隔離電路，CAN總線通信電路。

圖3 單體電池管理和單體電池均衡模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Single battery manage model and single battery equalization model structure

圖3 中，ECU以飛思卡爾公司的MC9S08DZ16芯片為控制核心。該芯片具有輸入寬電壓范圍在2.7～5.5 V之間、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、CAN通信模塊、低功耗以及I/O輸出電壓與芯片供電電壓相等等特點。針對本文的研究對象為140 Ah的磷酸鐵鋰動力電池，單體電池額定電壓為3.2 V，最高充電電壓為3.65 V，放電截止電壓為2.0 V，因此輸入寬電壓范圍的特點使得芯片可以直接采用由單體電池供電，而不需加入穩(wěn)壓電路對芯片進(jìn)行供電。

其工作原理為：單體電池經(jīng)電阻分壓電路分壓后，經(jīng)濾波電路處理輸入電池管理芯片進(jìn)行檢測。單體電池溫度采用熱敏電阻構(gòu)成的電阻分壓電路進(jìn)行分壓后，經(jīng)由濾波電路的處理再輸入電池管理芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行檢測。串聯(lián)電池組中流經(jīng)單體電池的電流信號首先經(jīng)電流傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號后，再經(jīng)濾波電路的處理輸入到檢測芯片進(jìn)行檢測。單體電池管理電路根據(jù)檢測到的單體電池電壓、溫度和電流參數(shù)，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法與系統(tǒng)參數(shù)辨識集成的方法實時估算單節(jié)電池的SOC。

1.3 單體電池均衡充電模塊

如圖3所示，均充模塊控制單元ECU通過CAN總線與整車控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，整車控制器接收到各單體電池SOC值后，求出電池組荷電狀態(tài)平均值，即

式中，SOCi為第i節(jié)單體電池荷電狀態(tài)。在求出電池組平均荷電狀態(tài)值之后，整車控制器將把各單體電池荷電狀態(tài)SOCi與電池組平均荷電狀態(tài)進(jìn)行比較，得

式中，△SOC為電池組荷電狀態(tài)平均值與各單體電池荷電狀態(tài)的差值。設(shè)定預(yù)設(shè)閾值ε，當(dāng)△SOC＞ε時，整車控制器將向單體電池均充模塊發(fā)送充電使能指令。單體電池ECU將根據(jù)當(dāng)前△SOC以及單體電池電壓值Vb來控制均充模塊的輸出電流大小。

2 主動均衡充電系統(tǒng)控制原理

2.1 主動均衡充電系統(tǒng)模型分析

動力電池組主動均衡充電系統(tǒng)模型如圖4所示，I為流經(jīng)電池組的電流，Bi（i=1,2,…,n）為第 i節(jié)單體電池，ieqi為第i節(jié)單體電池均充模塊輸出電流。

圖4 主動均衡充電系統(tǒng)模型Fig.4 Active equalization charging system model

圖4 中，單體電池均衡充電模塊給各單體電池補充入SOC值，用SOCeqi表示，則有

式中：Q為單體電池額定安時容量；t為單體電池均衡充電模塊開啟均充的時間。

為消除單體荷電狀態(tài)SOCi與電池組平均荷電狀態(tài)的差值，從而達(dá)到單體荷電狀態(tài)與電池組平均荷電狀態(tài)一致，則須滿足

將式（3）代入式（4）可得，單體電池均衡充電模塊輸出電流須滿足的條件為

2.2 反激式變換器的分析

圖1 中所示的單體電池均充模塊由反激式變換器構(gòu)成，變換器的1個工作周期具體可從2個工作階段來進(jìn)行分析：其中階段1為開關(guān)導(dǎo)通階段，階段2為開關(guān)關(guān)斷階段，其等效電路如圖5所示。

圖5 變換器等效電路Fig.5 Equivalent circuit of converter

圖5 中，變換器的輸入vg為串聯(lián)電池組B1～Bn，變換器的輸出并聯(lián)在單體電池兩端，圖中用單體電池開路電壓vd和電池歐姆內(nèi)阻R串聯(lián)近似單體電池的線性模型，S為功率開關(guān)。

圖5 （a）中，開關(guān)S開通時，可用電阻 Ron來進(jìn)行建模分析。變比為1：n的變壓器折合到一次側(cè)的勵磁電感為L。均充單元輸出電流ieq和單體電池端電壓vb波形如圖6所示。

圖6 均充單元電流和單體電池端電壓波形Fig.6 Waveforms of equalization charging unit current and single battery voltage

假定采用恒定開關(guān)周期、可變占空比控制。當(dāng)變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下時，由圖5（a）可得

式中，vL為勵磁電感L兩端的電壓值。忽略電容C電壓、單體電池開路電壓和電池組電壓在1個開關(guān)周期中的紋波，式（6）、式（7）可變?yōu)?/p>

當(dāng)變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下時，由圖5（b）可得

忽略電容電壓在1個開關(guān)周期中的紋波，式（10）可表示為

利用伏秒平衡，得

式中，D為變換器開關(guān)S的占空比。聯(lián)立式（9）和式（12），可得各均充單元輸出電流開關(guān)周期的平均值為

2.3 模糊控制策略的實現(xiàn)

圖3 中，模糊邏輯控制器（FLC）通過PWM控制器來調(diào)節(jié)單體電池均充模塊輸出電流的大小。FLC由基于規(guī)則、推理引擎（if...then...）、模糊化以及非模糊化4部分組成，如圖7所示。

圖7 模糊邏輯控制器（FLC）框圖Fig.7 Block diagram of fuzzy logic controller

圖 7 中，μA（x）、 μB（y）、 μC（z）分別對應(yīng)于單體電池端電壓Vb及荷電狀態(tài)差值ΔSOC與單體均充模塊輸出電流ieq的隸屬函數(shù)。

FLC有兩路輸入，分別為單體電池端電壓Vb、單體荷電狀態(tài)與電池組平均荷電狀態(tài)的差值ΔSOC。首先輸入量經(jīng)模糊化過程轉(zhuǎn)換為模糊量，控制規(guī)則用來描述單體電池均衡算法的知識和過程，基于輸入模糊量和控制規(guī)則在推理引擎中轉(zhuǎn)換為語言控制值。語言推理結(jié)果經(jīng)非模糊化再轉(zhuǎn)換為實際的輸出值。模糊控制輸出ieq為單體電池均充模塊需輸出的均衡電流。

圖8 為本文研究的磷酸鐵鋰動力電池組主動均衡充電系統(tǒng)模糊邏輯控制策略隸屬函數(shù)集。

圖8 輸入、輸出量隸屬函數(shù)Fig.8 Membership functions of the input and output

圖8 中，各變量離散論域的確定可參考文獻(xiàn)[4-6]， 本文選定 SOC 的離散論域為[0.05，0.9]、ΔSOC 的離散論域為[-0.2，0.2]、ieq的離散論域為[0，5]。進(jìn)一步定義 SOC、ΔSOC 及 ieq的模糊語言變量子集，分別為

SOC：{VL（很低），L（低），M（適中），H（高），VH（很高）}；

ΔSOC：{NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)小），ZO（零），PS（正?。琍M（正中），PB（正大）}；

ieq：{VS（很?。?，S（?。?，M（適中），B（大），VB（很大）}。

根據(jù)磷酸鐵鋰電池充放電實驗數(shù)據(jù)和專家知識得到模糊規(guī)則，如表1所示。

表1 主動均衡充電系統(tǒng)模糊控制規(guī)則Fig.1 Fuzzy control rules of active equalization charging system

表1 中，模糊控制器的輸出量為單體電池均充單元需輸出的均衡電流ieq。根據(jù)模糊推理器輸入的模糊值分配，制定了35條控制規(guī)則。以 An、Bn、Cn分別表示第n條規(guī)則的輸入SOC和ΔSOC的模糊值以及輸出 ieq的模糊值，n=1，2，…，35。模糊推理過程如下：

（1）模糊化。通過設(shè)計好的輸入量SOC和ΔSOC各自的隸屬函數(shù)，分別計算其對應(yīng)的模糊輸入隸屬度 μAn（SOC）、 μBn（ΔSOC）。

（2）規(guī)則匹配。利用模糊邏輯運算符，應(yīng)用模糊輸入隸屬度計算規(guī)則前件的滿足度ωn，即

（3）模糊推理。根據(jù)蘊涵運算符和單條規(guī)則μCn（ieq），計算出單條規(guī)則的模糊結(jié)論，用隸屬函數(shù)表示為

（4）結(jié)論合成。對輸出單條規(guī)則的模糊結(jié)論進(jìn)行累加，融合為總的后件 μCn（ieq），即

（5）去模糊化。對模糊輸出應(yīng)用重心法進(jìn)行去模糊化，計算出單體電池均充單元輸出電流ieq的表達(dá)式為

（6）計算變換器開關(guān)S的占空比D。聯(lián)立式（14）和式（18），將模糊控制器輸出的均充電流轉(zhuǎn)換為對應(yīng)變換器S的占空比D，即

3 實驗結(jié)果分析

為驗證本文研究的動力鋰電池組分布式主動均衡充電模糊控制策略，本文使用串聯(lián)16節(jié)140 Ah磷酸鐵鋰動力電池組構(gòu)建了分布式主動均衡充電實驗樣機。實驗結(jié)構(gòu)由充電機、16節(jié)單體磷酸鐵鋰電池構(gòu)成的動力電池組、16節(jié)單體電池管理電路、USB-CAN總線適配器和整車控制器組成，如圖9所示。

通過嵌入自適應(yīng)Kalman濾波算法到單體電池管理檢測單元中，可完成對單體電池SOC的計算，各單體電池SOC值經(jīng)CAN總線和USB-CAN總線適配器上傳給整車控制器，整車控制器計算電池組平均荷電狀態(tài)并將其經(jīng)CAN總線發(fā)送給各單體電池管理電路均衡充電單元，接著各均衡充電單元將計算ΔSOC。將當(dāng)前ΔSOC和各自荷電狀態(tài)SOC作為各均衡充電單元模糊控制器的輸入，分別調(diào)節(jié)各單元中DPA425的占空比大小來達(dá)到調(diào)節(jié)各均充單元輸出電流的大小。

圖9 電池組分布式主動均衡充電實驗結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Block diagram of battery pack distributed active equalization charge

實驗過程中，首先對16節(jié)單體電池在滿充電SOC=100%后進(jìn)行帶電阻負(fù)載恒電流放電試驗，設(shè)定1～16節(jié)單體電池SOC初始值分別為SOCB1=SOCB2=20%、SOCB3=SOCB4=26%，SOCB5=SOCB6=30%，SOCB7=SOCB8=34% ，SOCB9=SOCB10=38% ，SOCB11=SOCB12=40% ，SOCB13=SOCB14=45% ，SOCB15=SOCB16=48%。單體電池均衡充電單元軟件設(shè)計采用C語言進(jìn)行編程，其流程如圖10所示。

圖10 均衡充電單元流程Fig.10 Flow chart of equalization charge

充電機恒流充電電流0.115 C，均衡電流取值為0.036 C，恒壓充電電壓3.7V。預(yù)設(shè)閾值ε設(shè)定為1%，當(dāng)ΔSOC＞ε時，整車控制器將向單體電池均衡充電單元發(fā)出充電指令和當(dāng)前的ΔSOC。單體電池的ECU將開通光電耦合隔離電路，從而實現(xiàn)單體電池均衡充電單元對該單體電池補充電量。

系統(tǒng)均衡實驗結(jié)果如圖11所示。由圖11可見，平均值比較法在t=160 min之后，才可達(dá)到可控均衡一致的效果，而從圖11（b）可知，模糊控制策略在t=120 min左右就已經(jīng)可達(dá)到均衡一致的效果，均衡時間縮短了接近40 min；與此同時，在t=120 min的同一時刻電池組的平均SOC值，圖11（b）的 58%要明顯比圖 11（a）的 50%要高。

因此，上述實驗結(jié)果可以證明，相比于平均值比較法均衡策略，模糊控制策略在均衡時間、均衡系統(tǒng)效率上更有優(yōu)勢。

圖11 平均值比較法和模糊控制策略均衡充電實驗效果Fig.11 Charging equalization experiment effects of average compare and fuzzy control strategy

4 結(jié)語

本文研究了一種動力電池組用模糊控制主動均衡充電策略，通過對反激變換器場效應(yīng)晶體管PWM占空比的調(diào)整，來分別調(diào)節(jié)各均充單元的輸出電流，做到針對不一致的單體電池進(jìn)行區(qū)別性充電，從而保證各單體電池SOC均衡，實驗結(jié)果說明了模糊控制策略可有效縮短均衡時間，但對于額定安時容量更大的電池組，且當(dāng)電池組SOC不一致性更趨于明顯時該控制算法還需不斷加以改進(jìn)和優(yōu)化；同時本文使用電池組作為均衡輸入電源，該方法存在從內(nèi)部能量高的單體電池獲取電能，因此風(fēng)險較大，為此，論文在后期將對均衡電源采取外加電源進(jìn)行研究。

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