基于雙層結(jié)構(gòu)的鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)*

林小峰，王志浩，宋紹劍

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

基于雙層結(jié)構(gòu)的鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)*

林小峰，王志浩，宋紹劍

（廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

針對電池組中單體電池的個數(shù)較多且控制策略復(fù)雜等問題，提出了一種雙層結(jié)構(gòu)的主動均衡控制方法，分別控制底層雙向 Buck-Boost電路和頂層反激式變換器電路的開關(guān)通斷，實現(xiàn)能量的合理轉(zhuǎn)移，從而達到均衡目的。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)估算中的應(yīng)用，設(shè)計了一種新的以SOC為均衡判據(jù)的控制系統(tǒng)。由實驗結(jié)果分析可知，所提出的雙層主動均衡控制方法解決了單層均衡結(jié)構(gòu)由于均衡路徑長而引起的均衡時間過久的問題，均衡效率得到顯著提高。

鋰動力電池組；雙層結(jié)構(gòu)；主動均衡；SOC

0　引言

目前用于儲能系統(tǒng)中的動力性電池主要有：鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于鋰動力電池具有無污染能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，已被廣泛應(yīng)用于儲能領(lǐng)域[1]。電池成組的方式有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種，其中串聯(lián)方式是目前大多數(shù)電動車采用的成組方法[2]。電池組的不一致性會造成電池組容量、輸出功率、電池利用率的衰減，從而降低純電動汽車的續(xù)駛里程，增加使用成本[3]。

均衡電路可以分為能量消耗型和能量非消耗型。能量消耗型給電池組中每節(jié)單體電池并聯(lián)一個分流電阻，將過充的電池中多余能量消耗掉，達到均衡目的；能量非消耗型，即采用電感、電容作為儲能元件，利用常見電源變換電路將多余能量在電池間進行重新分配，達到電池間能量轉(zhuǎn)移[4]。例如，高速開關(guān)電容技術(shù)利用一組電容器在串聯(lián)儲能電源組相鄰儲能單體之間傳遞能量，效率高，控制簡單[5]。

對于電動汽車車載蓄電池組這種電池數(shù)量較多的應(yīng)用場合，不同拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化組合、構(gòu)建分層式的均衡結(jié)構(gòu)可以更好地實現(xiàn)能量的跨越式傳遞，具有均衡路徑短、均衡效率高、擴展能力強等優(yōu)點[6]。

按照均衡變量的不同，均衡方法可以分為容量均衡法、化學(xué)均衡法[7]、電壓均衡法、SOC均衡法[8]。目前很多均衡研究以電壓作為均衡變量，但由于磷酸鐵鋰電池的自身特點，電壓并不能真實反映電池組容量狀態(tài)的一致性，均衡效果不穩(wěn)定。

SOC表征當(dāng)前電池剩余容量占最大可用容量的比例，以SOC作為均衡變量時，可以忽略電池組內(nèi)單體電池間最大可用容量的差異，使所有單體電池同時達到充放電截止電壓[9]。同時，當(dāng)電池的 SOC保持一致時，意味著所有單體均工作于相同的放電深度，避免由于放電深度不同導(dǎo)致的電池老化速度的差異。

本文結(jié)合上述多種方法的的優(yōu)點，提出以雙層主動均衡系統(tǒng)為基礎(chǔ)、以SOC作為均衡變量的控制系統(tǒng)，簡要闡述了電池SOC的估算方法，并在仿真環(huán)境中實現(xiàn)了磷酸鐵鋰電池組在充電過程中的均衡控制，驗證了此方法的高效性。

1　雙層主動均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文設(shè)計了一套雙層主動均衡系統(tǒng)，提出了相應(yīng)的控制策略，利用開關(guān)脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation，PWM)信號，分別控制頂層和底層電路中的開關(guān)管，可以實現(xiàn)電池組內(nèi)能量的雙向傳遞，快速、高效地實現(xiàn)電池組的均衡控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙層主動均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

頂層結(jié)構(gòu)中的電池單體數(shù)量較多，因此要求底層拓撲易于控制，并且擴展性較強?？梢圆捎没诜醇ぷ儔浩鞯母綦x拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)既可實現(xiàn)將電壓過高的單體電池的能量反饋到整個電池組，也可實現(xiàn)電池組的能量反饋到某個或某兩個過放的單體上。反激式變換器電路均衡速度快、成本低、結(jié)構(gòu)簡單，同時電路采用隔離式拓撲結(jié)構(gòu)，可以有效實現(xiàn)電池組之間電氣隔離，減小電池兼容影響[10]。

考慮到底層結(jié)構(gòu)中電池單體數(shù)量較少，Buck-Boost變換器均衡結(jié)構(gòu)是一種非隔離式DC/DC變換器的分布式均衡技術(shù)，這種拓撲電流轉(zhuǎn)移路徑是雙向的，可以實現(xiàn)自上而下或者自下而上的在相鄰的兩個儲能電源單體之間實現(xiàn)能量的雙向傳遞。電路拓撲易于實現(xiàn)，能耗少，且均衡效率高，在電池組單體個數(shù)發(fā)生變化時電路無須較大改動，比較適合應(yīng)用于動力電池組的均衡拓撲。

本文提出的雙層均衡結(jié)構(gòu)的電池分布如圖2所示。此結(jié)構(gòu)有助于解決傳統(tǒng)均衡方法由于電池數(shù)量過多造成的均衡路經(jīng)長、損耗較大、均衡效率不高的問題。

圖2　雙層均衡結(jié)構(gòu)的電池分布圖

2　雙層均衡系統(tǒng)控制策略分析

2.1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC估算方法

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近多輸入輸出參數(shù)函數(shù)、高度的非線性、魯棒性和容錯性等特點，可以準(zhǔn)確地對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電池的SOC進行估算。因此本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對電池進行建模。

極限學(xué)習(xí)機(Extreme Learning Machine，ELM)的方法與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、學(xué)習(xí)速度快、參數(shù)容易調(diào)整且不易陷入局部最小等優(yōu)點，具有逼近多輸入輸出參數(shù)函數(shù)、高度的非線性、魯棒性和容錯性等特點[11]。

由于在對電池進行充放電過程中，電池的溫度變化很小，因此以磷酸鐵鋰電池的電壓、電流作為模型的輸入，以SOC作為模型的輸出。

本文選用新威BTS-5 V/200 A電池監(jiān)控系統(tǒng)，對容量為10 Ah、額定電壓為 3.5 V的磷酸鐵鋰電池進行不同電流的放電實驗。在室溫(25℃)環(huán)境中，將電池從滿充狀態(tài)下分別以1 A～10 A的恒定電流放電，直到電池電壓下降到電池截止電壓(2.5 V)為止。上位機通過CAN總線每1 s讀取一次電池電壓、電流的數(shù)據(jù)，SOC可以通過電流積分法計算獲得。例如，4 A和8 A的電流放電所得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

表1　放電實驗數(shù)據(jù)

以電池在不同放電倍率下的電壓、電流值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集，在MATLABR2010a環(huán)境下，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)模型中對模型進行訓(xùn)練。取放電電流為4 A的實驗數(shù)據(jù)作為測試樣本，檢驗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化性能。建立的SOC估算模型的訓(xùn)練速度和泛化性能如表2所示。其中RMSE為均方根誤差。

表2　SOC估算模型的性能參數(shù)

2.2以SOC為均衡變量的判定方法

均衡算法模塊通過均衡策略分析各電池的荷電狀態(tài)，并為均衡電路提供實時有效的PWM信號。PWM信號周期T與占空比D的定義如下所示:

其中 t1、t2分別是一個均衡周期內(nèi)電感存儲能量的時間和釋放能量的時間。

以SOC為均衡變量的判據(jù)主要有3個參數(shù)：組內(nèi)電池單體荷電狀態(tài)的平均值SOC、均方差ε以及相鄰兩電池單體間的荷電狀態(tài)差值ΔSOC。假設(shè)組內(nèi)有n個電池單體，3個參數(shù)的定義如下：

其中，均方差ε可以代表電池組荷電狀態(tài)的不一致性。本文將均衡開啟的條件設(shè)定為：均方差ε≥γ。當(dāng)系統(tǒng)判定電池組滿足均衡開啟的條件，頂層均衡控制器將會對相鄰差值ΔSOC≥η的電池模塊進行均衡操作，其中γ、η是均衡控制策略中設(shè)定的閾值。

2.3底層均衡模塊控制方法

底層雙向Buck-Boost均衡拓撲如圖3所示。其中，B1、B2…Bn是底層電池單體。

圖3　雙向Buck-Boost電路拓撲圖

假設(shè)檢測到當(dāng)前狀態(tài)下電池組的不一致性ε滿足均衡開啟條件，并且底層電池單體B1和B2之間的ΔSOC超過設(shè)定的閾值(SOC1＞SOC2)，則需要開啟均衡電路。整個均衡過程分為B1放電和B2充電兩個階段。

B1放電過程：當(dāng) t=0時，通過控制 PWM信號使開關(guān)管Q1閉合，將B1中過充的能量存儲在功率電感L1中，電感電流 iL從 0開始線性增長，可以表示為：，其中V1為電池 B1的端電壓。當(dāng) t=t1時，iL到達最大電流值 imax，設(shè)此時刻功率電感的電壓為 VL。在這個過程中，iL的增量可以表示為。

B2充電過程：當(dāng) t=t1時，控制開關(guān)管 Q1斷開，iL通過二極管D2續(xù)流，電感L1中儲存的能量向B2傳遞，iL線性下降，可表示為：。當(dāng) t=t2時，iL減小到0，此時一個底層均衡周期結(jié)束。重復(fù)此均衡動作，直到檢測到電池組的荷電狀態(tài)不一致性小于均衡策略設(shè)定的閾值，停止均衡操作。

同理可知，當(dāng)SOC1＜SOC2時，B2也可以將過充的能量轉(zhuǎn)移給B1，實現(xiàn)能量的雙向傳遞。

2.4頂層均衡模塊控制方法

頂層均衡控制電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中B1、B2、B3、B4是由若干個電池單體組成的頂層電池模塊。

圖4　反激變換器電路拓撲圖

假設(shè)當(dāng)前狀態(tài)下電池組的不一致性ε滿足均衡開啟條件，需要開啟均衡電路，并且電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到B1電池模塊的SOC值最高，則對B1電池模塊進行均衡操作。整個底層均衡周期分為B1放電和整個電池組充電兩個階段。

B1放電過程：當(dāng) t=0時，通過控制 PWM信號使開關(guān)管Q1、Q2閉合，將 B1中過充的能量存儲在變壓器的原邊繞組中。當(dāng) t=t1時，變壓器原邊電流 iL到達最大值 imax。

整個電池組充電過程：當(dāng) t=t1時，控制開關(guān)管 Q1、Q2斷開，Q9閉合，原邊繞組中的勵磁能量通過副邊繞組轉(zhuǎn)移到電池組，直到副邊電流減小到0為止。

每個均衡周期結(jié)束之后，若監(jiān)測當(dāng)前狀態(tài)下電池組的不一致性ε不滿足均衡開啟條件，則停止均衡；反之，則繼續(xù)對當(dāng)前能量值最高的電池單元進行均衡操作，直到電池組的不一致性ε小于均衡策略中設(shè)定的閾值γ，停止均衡。

3　仿真實驗結(jié)果分析

本文在MATLAB/SimPowerSystem仿真環(huán)境中進行均衡仿真實驗。對給定初始SOC的電池組進行均衡充電，通過監(jiān)控電池狀態(tài)的改變，測試均衡系統(tǒng)的性能。將雙層均衡系統(tǒng)與傳統(tǒng)單層 Buck-Boost均衡系統(tǒng)進行對比，驗證了本文提出的均衡控制系統(tǒng)的高效性。

均衡實驗選定額定電壓為3.5 V、額定容量為10 Ah、額定電流為5 A的磷酸鐵鋰電池單體作為實驗對象。本文設(shè)計了一個含有6個電池單體的雙層均衡電池組，分為兩個底層均衡模塊，分別含有三個電池單體。第一個底層電池組包含的電池單體編號依次為 1、2、3，第二個底層電池組包含的電池單體編號依次 4、5、6，給定其初始的電池荷電狀態(tài)為SOC1=95%、SOC2=90%、SOC3=88%和SOC4=85%、SOC5=82%、SOC6=80%。經(jīng)過分析，設(shè)定PWM控制信號的頻率為100 kHz，D=30%，η=0.1%，γ=0.001。

對電池組進行均衡充電實驗，充電方式為電流為5 A的恒流充電。雙層均衡系統(tǒng)的電池單體SOC變化如圖5所示。

圖5　雙層均衡系統(tǒng)的電池SOC曲線圖

由以上實驗結(jié)果分析可知，本文提出的雙層均衡系統(tǒng)精確地完成了均衡目標(biāo)，電池組內(nèi)6個電池單體的荷電狀態(tài)在t=600 s的時刻達到了一致狀態(tài)，快速高效地消除了組內(nèi)電池單體的不一致性，實現(xiàn)了電池模塊內(nèi)以及電池模塊之間的均衡。

4　結(jié)論

針對由于電池單體的不一致性導(dǎo)致的電池組容量和使用壽命衰減的問題，本文通過分析雙層主動均衡結(jié)構(gòu)的原理以及電池SOC的估算方法，設(shè)計了一種基于雙層結(jié)構(gòu)的主動雙向均衡系統(tǒng)，提出了一種以SOC作為判據(jù)的均衡策略。仿真實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的雙層主動均衡控制系統(tǒng)可以精確地實現(xiàn)均衡目標(biāo)，有效防止了由于電池組內(nèi)的不一致性造成的部分單體過充現(xiàn)象的發(fā)生，并且改善了單層均衡結(jié)構(gòu)由于均衡路徑長而引起的均衡時間過久的缺陷，在很大程度上提高了均衡效率，有助于提高電動汽車的性能。

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Lithium-ion power battery active equalization control system based on double-level structure

Lin Xiaofeng，Wang Zhihao，Song Shaojian
(School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Due to the reason of huge number of cells and complex control strategy,this paper proposes a double-level active equalization control method,which controls the state of switch in the bottom level bi-directional Buck-Boost topology and the top level fly-back transformer topology respectively,to balance the battery pack through reasonable transfer of energy.We designed a new double-level active equalization control system based on SOC to balance the lithium-ion battery pack in the process of charging.The results illustrated that the double-level active equalization control method proposed solved the traditional single-level's problem of equalization time caused by long equalization path,efficiency was improved significantly.

lithium-ion power battery pack；double-level structure；active equalization；SOC

TM912

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.031

國家自然科學(xué)基金（61364007）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科攻 14122007-33）；南寧市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（20141050）

2015-06-26)

林小峰（1955－），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：智能控制，新能源轉(zhuǎn)換與控制。

王志浩（1989－），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：新能源轉(zhuǎn)換與控制，E-mail：385792773@qq.com。

宋紹劍（1970－），男，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向：新能源轉(zhuǎn)換與控制，復(fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化。

中文引用格式：林小峰，王志浩，宋紹劍.基于雙層結(jié)構(gòu)的鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：119-122.

英文引用格式：Lin Xiaofeng，Wang Zhihao，Song Shaojian.Lithium-ion power battery active equalization control system based on double-level structure[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：119-122.