基于MATLAB的鋰電池組均衡仿真系統(tǒng)設(shè)計

汪秋婷 戚偉

摘要：闡述鋰電池組不一致性反映在不同特性參數(shù)（電壓、內(nèi)阻、SOC）上的表現(xiàn)形式，選取基于反激式變壓器的能量非耗散型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計，搭建均衡電路仿真模型，進(jìn)行仿真調(diào)試及結(jié)構(gòu)改進(jìn)，確定在“削峰”和“填谷”兩種模式下的電路控制參數(shù)。在Matlab環(huán)境下對均衡控制策略進(jìn)行仿真驗證，結(jié)果表明，該均衡電路和控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)快速均衡且可行有效。

關(guān)鍵詞：不一致性；反激式變壓器；均衡拓?fù)洌籑atlab；控制策略

1 引言

單體電池性能的差異會導(dǎo)致電池組出現(xiàn)不一致性現(xiàn)象，而電池組的不一致性會造成電池組使用性能的下降[1-3]。鋰電池組個體差異性導(dǎo)致實際功率無法達(dá)到額定功率，單體電池不一致性使整個電池組性能衰減，因此有效的均衡控制電路非常必要[4]。Chang-Soon Lim提出基于模糊控制理論的電流平衡控制方法，在一定條件下可以減少均衡時間，但無法用于純電動車的實際操作[5]。重慶大學(xué)設(shè)計了一種非線性PID均衡控制算法，PID調(diào)節(jié)器的增益參數(shù)能夠控制均衡誤差，并具有較強(qiáng)的魯棒性和動態(tài)響應(yīng)[6]。目前，眾多學(xué)者提出了一種基于SOC的均衡控制方法，并驗證其平衡效果[7-9]。溫州大學(xué)葉圣雙提出將單體電池SOC作為平衡參數(shù)，結(jié)合模糊控制算法建立新的平衡模型和控制策略，該方法能夠取得較好的平衡效果，但是沒有考慮鋰電池充放電電壓平臺問題[10]。本文以電壓作為平衡控制變量，結(jié)合反激式變壓器均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立變壓器均衡算法和matlab仿真模型，并對串聯(lián)鋰電池組進(jìn)行仿真研究。結(jié)果表明，基于反激式變壓器和電壓變量控制的串聯(lián)均衡方案，較好地改善充電過程中的不一致性。

2 基于反激式變壓器均衡電路設(shè)計

本文設(shè)計基于反激式變壓器的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由5部分組成：（1）4個單體電池標(biāo)記為B1，B2，B3，B4，串聯(lián)組成電池組；（2）4個雙向反激變換器標(biāo)記為T1，T2，T3，T4，用于電池能量的雙向傳輸；（3）8個輸入MOSFET開關(guān)標(biāo)記為G1P/G1S，G2P/G2S，G3P/G3S，G4P/G4S。8個MOSFET開關(guān)的柵極連接均衡控制器的輸入口P0-P7；（4）電壓檢測器選擇芯片LTC2942，其輸入端口連接單體電池的正負(fù)極，用于記錄單體電池電壓信息，標(biāo)記為V1，V2，V3，V4。（5）8個輸出MOSET開關(guān)標(biāo)記為S1P/S1S，S2P/S2S，S3P/S3S，S4P/S4S。8個MOSFET開關(guān)的柵極連接總控制芯片的輸入端口P0-P7。

3 充電均衡電路

本文根據(jù)DCM工作模型設(shè)計充電均衡電路工作過程說明如下：（1）充電工作階段開始于開關(guān)G1S打開，B1充電；（2）T1上的電流LSEC1曲線上升到最大值，最大值電流用IPEAX_SEC標(biāo)識；（3）G1S關(guān)閉，同時G1P打開，整個串聯(lián)電池組的電能傳遞到單體B1上，產(chǎn)生T1上主電流IPRN的曲線下降過程；（4）第一個同步開關(guān)轉(zhuǎn)向最大角度，最終達(dá)到Ipp1=0，所用時間為TD_PRI；（5）當(dāng)Iprn=0時，G1P關(guān)閉，同時G2S打開，返回步驟（1），進(jìn)入下一個充電均衡和自校正循環(huán)過程。

4 實驗結(jié)果

本文設(shè)計充電均衡實驗，采用充電電流為60A的恒流電流源作為整個仿真系統(tǒng)的輸入來模擬電池組在恒流的情況下的充電過程，設(shè)定截止電壓為3.75v，以電池組任意一節(jié)單體電池到達(dá)截止電壓為仿真節(jié)點。選取任意初始狀態(tài)作為電池組開始進(jìn)行試驗，校驗均衡前后電池組可充入電量和電壓極差的變化，實驗共進(jìn)行三次充電過程，最后均衡充電結(jié)束以后得到各個單體電池之間的電壓極差控制在4mv以內(nèi)，未加入均衡時的電壓極差達(dá)到204mv。實驗表明，本文設(shè)計的反激式變壓器均衡電路可以改善式電池組不一致性，各個單體電池的電壓和SOC值趨于一致，該均衡方案理論和仿真結(jié)果表明是有效的。

5 結(jié)論

本文以串聯(lián)電池組為研究對象，以改善電池組的不一致性為研究目的，著重對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，對均衡控制策略進(jìn)行研究和仿真，得以下結(jié)論：

（1）分析了電池組不致性產(chǎn)生的原因，電池組不致性反映在不同特性參數(shù)上的表現(xiàn)形式，以SOC作為均衡變量雖然可以從本質(zhì)上改善電池組的不一致性，但由于系統(tǒng)無法保證SOC估算精度和實時性的要求，最終確定以電壓作為電池組在不同工作狀態(tài)下的均衡變量

（2）選取反激式變壓器型能量非耗散式均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對對該均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計，電路仿真優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，改進(jìn)電路結(jié)構(gòu)，確定“削峰”、“填谷”兩種模式下的均衡控制參數(shù)。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)后的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅可實現(xiàn)能量的雙向流動，還可回收利用或耗散漏感中的能量，避免發(fā)生磁飽和。

（3）提出了充電均衡的策略，在充電末期當(dāng)電池組單體電池電壓最大值達(dá)到充電截止山電壓壓時，系統(tǒng)停止充電進(jìn)行均衡，當(dāng)電池組電壓極差小于當(dāng)前設(shè)定值時，則再次充電，重復(fù)上述過程直至電池組各單體電壓達(dá)到一致或均衡充電次數(shù)達(dá)到設(shè)定值。

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作者簡介：汪秋婷（1982-），女，博士，副教授，主要研究方向為自動控制、數(shù)字信號處理和鋰動力電池管理系統(tǒng)。

*基金項目：浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究計劃項目（2015C33225），浙江省自然科學(xué)基金（LQ16F010004），杭州市科技計劃（20160432B27）