基于Simulink仿真模擬的電動(dòng)汽車電池優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張露 胡廣地

摘要：為了使均衡系統(tǒng)能量效率達(dá)到最高，提出了一種改進(jìn)的均衡電路參數(shù)優(yōu)化方法，對(duì)均衡電池電路中的重要參數(shù)包括PWM波的占空比和周期T在初選值附近進(jìn)行了優(yōu)化，并利用Simulink設(shè)計(jì)了優(yōu)化方法的仿真模型。仿真結(jié)果表明：單位周期內(nèi)能量效率最大的最佳占空比為0.52，最佳周期為0.1s。

關(guān)鍵詞：均衡電路;參數(shù)優(yōu)化;占空比;周期;Simulink

中國分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）06-0131-02

鋰離子動(dòng)力電池和鎳氫動(dòng)力電池是目前電動(dòng)汽車中應(yīng)用最為廣泛的兩種動(dòng)力電池，由于安全問題和壽命問題，動(dòng)力電池的技術(shù)發(fā)展進(jìn)入了瓶頸期，這也成為新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中重要的制約因素^[1]。這兩個(gè)問題產(chǎn)生的根本原因在于在實(shí)際應(yīng)用中電池包中各節(jié)單體電池處于不同的健康狀態(tài)。當(dāng)電池組充電時(shí)，任意一節(jié)單體電池達(dá)到充電截止電壓時(shí)，為防止過充，整個(gè)充電過程將會(huì)終止，而此時(shí)大部分電池尚未處于滿電狀態(tài)。同理，而當(dāng)電池組向外界輸出能量時(shí)，若任意一節(jié)單體電池達(dá)到放電截止電壓則會(huì)終止整個(gè)放電過程。同時(shí)，假如動(dòng)力電池的使用壽命問題無法解決，必將導(dǎo)致電池的更新率提高，進(jìn)而影響動(dòng)力電池乃至電動(dòng)汽車的使用成本^[2]。

為了解決上述問題，電動(dòng)汽車的電池管理系統(tǒng)（BMS）應(yīng)運(yùn)而生。它在電動(dòng)汽車中起著實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析電池狀態(tài)、保護(hù)電池安全、管理電池剩余電量與電池信息的作用^[3]，以確保電池在使用過程中的安全性，也可在一定程度上提高電池的充放電深度，從而實(shí)現(xiàn)電池能量利用的高效化。電池均衡控制系統(tǒng)作為BMS中能量控制管理的一部分，更是對(duì)動(dòng)力電池組起著關(guān)鍵性作用^[4]。

基于以上分析，提出了一種改進(jìn)的均衡電路參數(shù)優(yōu)化方法來使得均衡系統(tǒng)效率達(dá)到最高，并通過仿真模型進(jìn)行驗(yàn)證。

1改進(jìn)電動(dòng)汽車電池的優(yōu)化方法

根據(jù)圖1搭建均衡改進(jìn)的均衡系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)其進(jìn)行在線尋優(yōu)，得到占空比D與周期T的最佳值。其優(yōu)化流程描述如圖1所示。

圖中，u_out（i，t）、i_out（i，t）分別指當(dāng)前能量從系統(tǒng)輸出到第i個(gè)電池的電壓及電流;u_in（j，t）、i_in（j，t）分別指當(dāng)前從第j個(gè)電池將能量輸入到系統(tǒng)的電壓及電流。

則根據(jù)效率最大化的原則，目標(biāo)函數(shù)定義如下：同時(shí)，對(duì)D和T的范圍進(jìn)行約束，使其滿足斷續(xù)模式的要求。因此，優(yōu)化問題可表示為如下所示的全局最優(yōu)化問題：

經(jīng)過二維在線尋優(yōu)，即可得到當(dāng)前最佳占空比及周期。

2參數(shù)優(yōu)化仿真模型建立

2.1模型構(gòu)成說明

完整的系統(tǒng)仿真模型應(yīng)包括電池組狀態(tài)模擬模塊、均衡控制策略模塊、均衡電路與狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊、信號(hào)執(zhí)行模塊、保護(hù)電路模塊。其中，電池組狀態(tài)模擬模塊用以模擬電池組所處的充電、放電或擱置三種不同的狀態(tài)，均衡控制策略模塊用以進(jìn)行信號(hào)處理運(yùn)算，信號(hào)執(zhí)行模塊進(jìn)行均衡驅(qū)動(dòng)，均衡電路模塊進(jìn)行均衡實(shí)施，保護(hù)電路模塊需控制均衡變量在充放電時(shí)允許達(dá)到的極限值用以保護(hù)電池。

為完成本節(jié)參數(shù)優(yōu)化仿真，可在SimPowerSystem中搭建用于公式驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化的簡化模型，其中初、次級(jí)回路均以單節(jié)電池模型代替，通過設(shè)置其參數(shù)大小模擬電池?cái)?shù)量。

2.2仿真元器件選取

模型的搭建需要對(duì)其中的元器件進(jìn)行選擇與參數(shù)設(shè)置，包括反激式轉(zhuǎn)換器、電池、MOS管、電容器。這幾種元器件均可在SimPowerSystem中找到，且其參數(shù)可調(diào)。

2.3模型搭建及參數(shù)設(shè)置

最終搭建的參數(shù)優(yōu)化仿真模型如圖2所示。

其中，將多繞組轉(zhuǎn)換器簡化為單繞組轉(zhuǎn)換器，采用SimPowerSystem中含有的電池模型，以初級(jí)回路為6個(gè)單體電池串聯(lián)的電池組為例，電池額定電壓設(shè)置為22.2V，電阻設(shè)置為0.006V，而次級(jí)回路中的電池額定電壓設(shè)置為3.7V，電阻設(shè)置為0.001V。在參數(shù)調(diào)試過程中，設(shè)置仿真時(shí)間為10s。

3仿真模型分析

3.1不同參數(shù)能量效率

對(duì)占空比和周期分別設(shè)置一定間隔進(jìn)行仿真，將相對(duì)應(yīng)的效率值輸出到工作空間，最后得到圖3所示三維效率曲面。

得到的最佳占空比D和最佳周期T分別為：D=0.5197，T=0.1s，此時(shí)能量效率最大值為0.8493。

3.2優(yōu)化前后仿真對(duì)比

對(duì)六節(jié)電池六節(jié)串聯(lián)電池樣本中的SOC初始值分別設(shè)置為54%、56%、53%、50%、52%、35%。系統(tǒng)PWM占空比分別設(shè)置為優(yōu)化前后的參數(shù)，以電池極差值作為均衡判據(jù)，輸出六節(jié)串聯(lián)電池的soc隨運(yùn)行時(shí)間變化的曲線如圖4、圖5所示，分別提取出優(yōu)化前后均衡前后六節(jié)串連電池的SOC值如表1所示。3.3結(jié)果分析

1）從圖4、圖5可以看出，6號(hào)電池的SOC值呈上升趨勢(shì)，其余電池的SOC值處于下降趨勢(shì)，即均衡過程中整個(gè)電池組在對(duì)6號(hào)電池進(jìn)行充電。對(duì)比六節(jié)電池樣本初始值的設(shè)置，6號(hào)電池初始容量最低，仿真結(jié)果與設(shè)計(jì)預(yù)期情況相同。且電池電量變化均是單調(diào)平滑的。

2）從表1可以看出，均衡過程前，電池組中SOC極差值為21%;均衡結(jié)束時(shí)，優(yōu)化前的電池組中SOC極差值約為6.7%，優(yōu)化后的電池組中SOC極差值約為4.9%，對(duì)比優(yōu)化前后的soc極差值，減小了1.8%，證明優(yōu)化有效。

3）根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，計(jì)算出均衡過程前后樣本SOC值的方差分別為58、4.8811、2.5451可見優(yōu)化后電池組中SOC值的離散程度大大降低，電池組一致性得到改善，證明優(yōu)化有效。

4結(jié)論

本文利用Simulink建模仿真平臺(tái)，建立了改進(jìn)的均衡系統(tǒng)模型，提出了一種改進(jìn)的均衡電路參數(shù)優(yōu)化方法來確保能量效率達(dá)到最大的情況下，對(duì)均衡電路中的重要參數(shù)包括PWM波的占空比和周期T進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）向均衡電路電池組輸入能量時(shí)，得到的最佳占空比D和最佳周期T分別為：D=0.5197，T=0.1s，此時(shí)能量效率達(dá)到最大。 2）對(duì)電池處于擱置狀態(tài)下進(jìn)行仿真分析，得到在一定初始條件下，參數(shù)優(yōu)化后比優(yōu)化前電池組擱置均衡結(jié)束SOC極差值減小了1.8%，方差值下降2.336，證實(shí)了對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化的有效性。

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