串聯(lián)動(dòng)力蓄電池充放電均衡控制研究

孟彥京， 楊 凡， 吳 輝

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

串聯(lián)動(dòng)力蓄電池充放電均衡控制研究

孟彥京， 楊 凡， 吳 輝

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院， 陜西 西安 710021)

動(dòng)力蓄電池的實(shí)際使用壽命與理論循環(huán)壽命總是有很大的區(qū)別，為了延長(zhǎng)動(dòng)力蓄電池的使用壽命，針對(duì)現(xiàn)有均衡控制方案的不足，論文提出一種基于雙向半橋DC/DC電路的蓄電池充放電均衡控制方案，該方案具有均衡速度快，效率高，可以有效的延長(zhǎng)電池組的壽命等優(yōu)點(diǎn).在MATLAB軟件上進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果證明該均衡控制方案達(dá)到了預(yù)期效果.

動(dòng)力蓄電池； 充放電控制； 均衡控制

0 引言

同一規(guī)格、同一型號(hào)的電池單體串并聯(lián)組成的電池組中，由于制造工藝的偏差，單體電池的容量、內(nèi)阻、自放電效率等不可能完全一致[1,2]，因此單

體之間的差異總是存在的.以容量為例，電池組中流過(guò)相同的電流，相對(duì)而言，容量小的單體可接受充放電電流小，容量大的可接受充放電電流大[3,4]，因此，容量大者總是處于小電流淺充淺放，容量衰減緩慢、壽命延長(zhǎng)，而容量小者總是處于大電流過(guò)充過(guò)放，容量衰減加快、壽命縮短，兩者之間的性能參數(shù)差異越來(lái)越大，形成正反饋特性，小容量單體提前失效，組壽命縮短.因此電池組充放電過(guò)程中單體的動(dòng)態(tài)均衡控制是非常重要的.

目前進(jìn)行電池均衡的方法比較多，主要分為耗散型和轉(zhuǎn)移型均衡控制[5-10]，其基本是以單體的電壓為對(duì)象進(jìn)行均衡控制的.耗散型[5,6]是對(duì)電池組中具有較高電壓的單體通過(guò)均衡電阻以熱的形式消耗掉多余的能量，該方法簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但是當(dāng)組中單體數(shù)目較多時(shí)，產(chǎn)生的熱不能及時(shí)散出，組溫度上升，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)：Φ饺松戆踩?，且該方法?huì)產(chǎn)生較大的能量損耗，電池能量利用率低，因此一般只應(yīng)用于串聯(lián)電池少，需求均衡功率較小的場(chǎng)合.轉(zhuǎn)移型均衡控制[7-9]則是利用電容、電感、變壓器線圈等做為儲(chǔ)能轉(zhuǎn)移器件來(lái)實(shí)現(xiàn)能量均衡的.

雙向無(wú)損動(dòng)態(tài)均衡控制策略[7,8]利用電感作為電能轉(zhuǎn)移的中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了組內(nèi)單體電壓的均衡控制，但是該方法僅限于在相鄰的電池單體之間進(jìn)行能量傳遞，當(dāng)電池組中串聯(lián)單體較多，組中電壓比較高的單體與電壓低的單體電氣距離較遠(yuǎn)時(shí)，能量在傳遞過(guò)程中必然存在較大的損耗，并且需要較長(zhǎng)的均衡時(shí)間.能量雙向轉(zhuǎn)移型均衡控制[9,10]實(shí)現(xiàn)了不相鄰單體電池之間的能量流動(dòng)，但是其控制方案中用了較多的變壓器，增加了其控制系統(tǒng)能量的成本和損耗.

針對(duì)以上均衡控制策略所存在的問(wèn)題，本論文提出了一種新的針對(duì)串聯(lián)動(dòng)力蓄電池組中單體能量的均衡控制方案并進(jìn)行了仿真研究.

1 動(dòng)力蓄電池能量均衡控制方案

本設(shè)計(jì)所提出的均衡控制方案是利用雙向半橋DC/DC變換器[11]來(lái)實(shí)現(xiàn)6節(jié)串聯(lián)單體在充放電過(guò)程中能量的轉(zhuǎn)移，從而使個(gè)蓄電池組中各單體的電壓基本一致.

1.1 串聯(lián)蓄電池能量均衡功率控制電路

因超級(jí)電容具有循環(huán)壽命可達(dá)上百萬(wàn)次且能夠快速充放電的特點(diǎn)[12]，所以本文選用超級(jí)電容作為能量轉(zhuǎn)移的中介.雙向半橋DC/DC電路的原理圖如圖1所示.

圖1 雙向半橋DC/DC電路原理圖

當(dāng)VT1處于PWM控制狀態(tài)，VT0關(guān)斷時(shí)，最高電壓?jiǎn)误wB、開關(guān)管VT1、二極管VD0、儲(chǔ)能電感L及超級(jí)電容C組成Buck電路；當(dāng)VT0處于PWM控制狀態(tài)，VT1截止時(shí)，C、L、VT0、VD1及最低電壓電池B組成Boost電路.

為了實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池單體都能與超級(jí)電容實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移且電路中不能出現(xiàn)短路情況，功率開關(guān)管采用橋式連接，電路圖如圖2所示.

圖2 串聯(lián)蓄電池能量均衡 功率控制電路圖

在蓄電池組充電或放電的過(guò)程中，檢測(cè)到電池組中電壓最高和最低的單體，利用控制驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使最高電壓?jiǎn)误w給超級(jí)電容充電，當(dāng)檢測(cè)到超級(jí)電容的電壓到達(dá)設(shè)定的最高閾值時(shí)，超級(jí)電容開始放電，把其能量傳遞給最低電壓的單體，當(dāng)超級(jí)電容電壓到達(dá)設(shè)定的最低閾值時(shí)，再次由電池組中最高電壓的電池單體給電容充電，這樣就使得電池組中各單體的電壓基本一致.

假設(shè)BAT6需要均衡時(shí)，開關(guān)管VT3、VT4、VT6、VT7閉合，VT2、VT5、VT8～15斷開；假設(shè)BAT5需要均衡時(shí)，開關(guān)管VT2、VT5、VT7、VT8、VT9閉合，VT3、VT4、VT6、VT10～15斷開；以此類推，假設(shè)BAT4、BAT3、BAT2、BAT1需要均衡時(shí)，開關(guān)管VT2～VT15的閉合與斷開狀態(tài).

1.2 超級(jí)電容充放電電流控制電路

在串聯(lián)蓄電池均衡過(guò)程中，超級(jí)電容作為能量轉(zhuǎn)移的中間環(huán)節(jié)，把最高電壓?jiǎn)误w多余的電量經(jīng)DC/DC電路傳送給最低電壓?jiǎn)误w，此過(guò)程中，它總是處在充電或放電狀態(tài).采用電流閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)均衡過(guò)程中超級(jí)電容充電和放電電流的恒定，其控制電路如圖3所示.

圖3 超級(jí)電容充放電電流控制電路圖

給定的超級(jí)電流的充放電電流Iset與電流傳感器檢測(cè)到電流的實(shí)際值Iref做差，把偏差值e送給比例積分電路進(jìn)行調(diào)節(jié)，使偏差盡可能小，從而就使得超級(jí)電容充放電電流跟隨給定電流值.所述超級(jí)電容的充放電電流也即圖1中儲(chǔ)能電感L上流過(guò)的電流.

在給電池組充電或汽車啟動(dòng)(電池組放電)時(shí)就開啟能量均衡管理系統(tǒng)，對(duì)蓄電池組中各單體電壓進(jìn)行均衡控制，以使電池組在充放電末期，各單體電壓能基本一致，延長(zhǎng)蓄電池組的使用壽命.

1.3 蓄電池均衡電路參數(shù)計(jì)算

圖2中的電池單體的額定電壓設(shè)置為12 V，容量為105 Ah，記Qn，電池組總電壓為72 V，因此選擇耐壓值為100 V的開關(guān)管.假設(shè)均衡電路中出現(xiàn)的最嚴(yán)重不平衡現(xiàn)象是，某一電池與另外5節(jié)電池的容量偏差為30%，這時(shí)該電池需要轉(zhuǎn)移的容量為：

(1)

若需要系統(tǒng)在4小時(shí)內(nèi)均衡完畢，則每小時(shí)需要均衡的容量為：

(2)

由于該均衡電路的工作模式中，只有0.5 T(T為超級(jí)電容充放電周期)的時(shí)間內(nèi)最高電壓的電池轉(zhuǎn)移出能量，所以轉(zhuǎn)移的電流為I1=2×6.562 5=13.125 A.假定超級(jí)電容的充放電周期為0.1 s，即T=0.1 s，超級(jí)電容的電壓變化量設(shè)定為ΔV=9.5-5.5=4 V，根據(jù)式(3)：

(3)

得超級(jí)電容的電容值為：

(4)

因此，選擇超級(jí)電容的容值為0.2 F，用4節(jié)容值為0.8 F超級(jí)電容串聯(lián)得到.

按照升壓電路計(jì)算儲(chǔ)能電感[13]，輸入電壓為5.5～9.5 V，輸出假設(shè)為12 V，負(fù)載平均電流為6.562 5 A，開關(guān)頻率10 kHz；對(duì)于升壓電路需要以最小電壓VINmin(5.5 V)來(lái)設(shè)計(jì)電感.

占空比如為：

(5)

周期為：

(6)

則導(dǎo)通時(shí)間為：

ton=D×T=54.2μs

(7)

伏秒積為：

VINminton=5.5×54.2=298.1μs

(8)

取電流紋波率r=0.1，根據(jù)式(9)：

(9)

而

(10)

則電感量為：

(11)

取L=220μH，且電感電流的額定值必須不小于式(12)：

(1+r/2)×IL×110%=16.5 A

(12)

其中10%為設(shè)計(jì)余量.

2 串聯(lián)蓄電池均衡控制仿真及結(jié)論

在MATLAB軟件上對(duì)所提出的能量均衡控制方案進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真電路原理圖如圖4所示.

根據(jù)1.3節(jié)計(jì)算結(jié)果設(shè)定超級(jí)電容為0.2 F，額定電壓10 V，設(shè)定最高電壓閾值為9.5 V，最低電壓閾值為5.5 V；儲(chǔ)能電感為220μH.流過(guò)電感的電流為14.25 A；開關(guān)頻率為fs=10 kHz.設(shè)定串聯(lián)電池組中各單體電池BAT1～BAT6的初始電壓分別為11 V、11.5 V、12 V、12 V、13.5 V、14 V.其控制電路圖如圖5所示.

圖4 串聯(lián)蓄電池能量均衡仿真電路原理圖

圖5 串聯(lián)蓄電池能量均衡控制電路圖

采用電流閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)超級(jí)電容的充放電電流恒定在14.25 A；超級(jí)電容電壓值經(jīng)滯環(huán)比較器比較后輸出τ，以τ=2和τ=1分別表示超級(jí)電容充電和放電的狀態(tài)；由Voltage Highamp;Low Distinguish函數(shù)判斷出最高和最低電池單體，根據(jù)Cap Charge or Discharge Control函數(shù)判斷出的需要均衡的單體并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷(在1.1節(jié)已給出).所設(shè)定的BAT6的電壓最高和BAT1的電壓最低，BAT6的放電電流經(jīng)主電路中VT1、D0、L形成的Buck電路給超級(jí)電容充電，當(dāng)超級(jí)電容電壓上升到9.5 V時(shí)，超級(jí)電容的放電電流經(jīng)L、VT0、D1形成的Boost電路對(duì)BAT1放電，當(dāng)超級(jí)電容電壓下降到5.5 V時(shí)，再次判斷出組中的最高和最低電壓的電池單體，對(duì)超級(jí)電容進(jìn)行充放電，實(shí)現(xiàn)最高電池單體能量流向最低電池單體，使得電池組中各單體電壓基本一致.BAT6、超級(jí)電容和BAT1的仿真結(jié)果如圖6～8所示.

圖6 BAT6的電量、電流、電壓顯示圖

圖7 超級(jí)電容的電量、電流、電壓顯示圖

圖8 BAT1的電量、電流、電壓顯示圖

仿真結(jié)果圖6～8表明，BAT6從0時(shí)刻開始放電給超級(jí)電容，在0.13 s，超級(jí)電容電壓上升到9.5 V，超級(jí)電容開始放電給BAT1；在0.2 s，超級(jí)電容放電電壓下降至5.5 V，由于此時(shí)BAT6的電壓還是比其他電池電壓高，所以BAT6繼續(xù)給超級(jí)電容充電.電池組中電壓最高的單體處在放電狀態(tài)，電壓最低的單體處在充電狀態(tài)，而超級(jí)電容總是處在充放電狀態(tài)；超級(jí)電容充放電電流在13.5～15 A，誤差不超過(guò)0.1 A(紋波率)，仿真結(jié)果表明該均衡控制方案是可行的.

3 結(jié)論

本論文針對(duì)現(xiàn)有均衡控制策略所存在的問(wèn)題，提出了一種基于雙向半橋DC/DC電路的蓄電池充放電均衡控制方案，該均衡方案有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：第一，該方案不僅適合單體數(shù)目較少的電池組也適合串聯(lián)單體數(shù)目較多電池組中，能使最高電壓?jiǎn)误w能量直接流向最低電壓?jiǎn)误w，均衡速度快，效率高；第二，該均衡控制方案可以用于鉛酸蓄電池的均衡控制，也可以用于鋰離子等電池的均衡控制；第三，該控制系統(tǒng)在蓄電池充和放電的過(guò)程中都可以接入，這樣就使得電池組中的單體電壓能夠基本一致，電池組壽命得到延長(zhǎng).在MATLAB軟

件上對(duì)均衡方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，結(jié)果證明了該均衡控制方案達(dá)到了預(yù)期的效果，可以延長(zhǎng)動(dòng)力電池組的循環(huán)壽命.

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【責(zé)任編輯：陳佳】

Researchofseriespowerstoragebatterychargeanddischargeequalizationcontrol

MENG Yan-jing, YANG Fan, WU Hui

(College of Electrical and Information Engineering, Shaanxi University of Science amp; Technology, Xi′an 710021, China)

The actual life and theory circle life of power battery always has the very big difference.In order to prolong the service life of power storage battery,aiming at the deficiency of the existing equilibrium control scheme,the battery charging and discharging balance control scheme based on a two-way half bridge DC/DC circuit has been put forward in this paper.The great advantages of this equilibrium control scheme are balancing with fast speed,high efficiency and which can effectively prolong battery life.The scheme is simulated on the MATLAB software.The results show that the equilibrium control scheme achieves the desired effect.

power storage battery; charge and discharge control; equilibrium control

2017-06-18

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51577110)； 陜西科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目(BJ12-30)

孟彥京(1956-)，男，陜西西安人，教授，博士，研究方向：電力電子技術(shù)與電力傳動(dòng)

2096-398X(2017)06-0154-05

TM571.2

A