鋰電池能量管理系統(tǒng)優(yōu)化探究

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摘要：由于鋰電池的內(nèi)阻等參數(shù)存在差異，需要對每個電池均衡管理才能發(fā)揮整個電池組的最佳性能。常用的均衡管理系統(tǒng)是基于電壓的串聯(lián)電池均衡管理，充電時間長，并且沒有對并聯(lián)電池之間的循環(huán)電流進行有效管理。針對充電時間和循環(huán)電流，設計基于SOC的串聯(lián)電池主動均衡的拓撲結構、分組控制策略系統(tǒng)，以及并聯(lián)電池有序放電策略系統(tǒng)。以4節(jié)電池串聯(lián)構成的電池組進行均衡仿真實驗，結果表明該系統(tǒng)的均衡時間比常用的均衡系統(tǒng)所用時間減少31．5％，證明設計的均衡系統(tǒng)和控制策略有效。并聯(lián)電池有序放電策略系統(tǒng)減少了并聯(lián)電池間的循環(huán)電流，因此在充電電壓、電流基本一致時，消耗能源與時間成正比，該系統(tǒng)節(jié)約能耗大于31．5％。

關鍵詞：分組控制；鋰電池；能量管理系統(tǒng)；串聯(lián)電池均衡控制系統(tǒng)；并聯(lián)電池組循環(huán)電流控制

0引言

鋰電池作為新能源動力系統(tǒng)，是通過串并聯(lián)的形式組成電池組對外提供電源。在鋰電池使用過程中，由于電池單體之間的不一致［1，2］，使得某些電池“過充”或“過放”，從而提前老化，導致整個電池組無法正常工作。為了延長電池組的使用壽命，需要對每一節(jié)電池進行精細化管理，使得每一節(jié)電池都不過度使用。為此，本文將通過MATLAB的電池模型［3］，構建基于SOC的主動均衡的串聯(lián)電池充電系統(tǒng)和并聯(lián)電池有序放電策略，對鋰電池組能量管理系統(tǒng)進行優(yōu)化，并通過仿真進行驗證。

1鋰電池等效電路模型［4，5］

串聯(lián)充電均衡控制仿真系統(tǒng)的基礎是電池單體模型，本文所建立的鋰電池模型是二階RC等效電路模型。為了能夠更加準確地表達鋰電池工作實際情況，我們通過實驗數(shù)據(jù)構建二維動態(tài)變化的仿真模型，其模型參數(shù)通過lookuptable模塊、二維查表的方式確定其動態(tài)值。圖1為二階RC電路模型，其中R0、R1、C1、R2、C2值都不僅受SOC影響，還隨溫度的變化而變化。

2串聯(lián)電池均衡控制系統(tǒng)［6，7］

鋰離子電池在生產(chǎn)過程中，由于工藝、流程、環(huán)境和人員的差異，各個動力電池必然存在不同，主要表現(xiàn)在電池容量、內(nèi)阻等方面。這些差異，在電池使用過程中會進一步擴大。為了避免這種差異的進一步擴大，就要在電池使用過程中對每一節(jié)電池的充、放電情況進行精確管理，做到每節(jié)電池既不過充又不過放，才能保護電池，延長整個電池組的使用壽命并節(jié)約能源。

2．1串聯(lián)電池被動均衡控制系統(tǒng)

由于電池的差異主要表現(xiàn)在內(nèi)阻上，性能好的內(nèi)阻小，性能差的內(nèi)阻大，因此串聯(lián)電池組中，內(nèi)阻大的電池先充滿，首先達到高電壓。被動型均衡電路如圖2所示，假如第二節(jié)電池首先達到4．2V，那么TL431導通，觸發(fā)TIP42三極管導通，充電電流經(jīng)過TIP42給下一節(jié)電池充電，同時第二節(jié)電池放電。這種均衡系統(tǒng)是被動型，電路容易發(fā)熱，均衡時間長，消耗功率大。而且這種電路是以比較電壓為基準，由于電池的電壓受環(huán)境溫度、制造材料、制造工藝影響比較大，不能完全反映電池使用實際情況，因此容易出現(xiàn)電池“表面均衡”而實際并不均衡的問題。

2．2串聯(lián)電池主動均衡控制系統(tǒng)

由于被動均衡系統(tǒng)充電時間長，而且還具有“表面均衡”的缺點，因此我們對串聯(lián)電池均衡系統(tǒng)進行優(yōu)化。由于SOC（剩余容量）比電壓更能反映電池的實際工作狀況，因此我們設計了以SOC為比較基準的主動型均衡控制仿真系統(tǒng)，如圖3所示。以SOC為基準的主動均衡控制系統(tǒng)的工作原理是：M1～M6均為MOSFET管，switch1～switch6信號控制均衡開啟或關閉，如果比較電池SOC之間的差值大于某個值，switch的值為真，開啟均衡，否則關閉均衡。該均衡電路不受拓撲結構的約束，可以在電池任何時間段、任何電池間均衡，便于實施均衡控制策略，節(jié)約均衡時間。

2．3串聯(lián)電池主動均衡控制策略

串聯(lián)電池主動均衡控制系統(tǒng)中，可以比較相鄰電池間的SOC，也可以比較相間電池的SOC的差值，作為啟動均衡控制的條件。所以可以實施分組均衡控制策略，把SOC值相近的電池歸為一組，SOC值相差大的歸到另一組。在同一組的串聯(lián)電池先均衡，然后在不同組的電池間均衡，以節(jié)約均衡時間。我們通過MATLAB的Simulink搭建4節(jié)不同SOC值的串聯(lián)電池均衡控制仿真模型，如圖3所示，電池1、電池2、電池3、電池4的SOC值分別設為0．75、0．73、0．63、0．60，在模擬充電過程中實施主動均衡、分組控制策略，仿真運行結果如圖4所示。從圖4中我們可以看到4節(jié)串聯(lián)電池模擬充電時，其SOC值隨時間變化的情況，SOC值相近的兩節(jié)電池先均衡（電池1和電池2在未充滿時就主動均衡；電池3和電池4也在未充滿時就主動均衡），同一組的電池一致以后，再在兩組電池間均衡，最后4節(jié)電池SOC一致，直至充滿。從仿真結果可知實施分組主動均衡策略的4節(jié)電池充滿所花時間為9386s。

2．4串聯(lián)電池被動均衡控制策略

串聯(lián)電池充電常用均衡控制策略是被動均衡控制，其原理是各節(jié)電池先各自充電，先充滿電的電池再被動地與其相鄰的電池均衡，以此類推，直至四節(jié)電池一致，仿真運行結果如圖5所示。從圖5中我們可以看到串聯(lián)電池采用被動均衡控制策略充電時其SOC值隨時間變化的情況，電池1首先充滿，然后再被動地與電池2均衡，以此類推。通過光標測量工具測得采用被動均衡控制策略充滿4節(jié)電池需13715s。

2．5結果分析

從仿真結果可知，實施主動均衡分組控制策略的4節(jié)電池充滿所花時間為9386s；而采用被動均衡控制策略的4節(jié)電池充滿且均衡所需時間為13715s。由此可知，我們優(yōu)化的系統(tǒng)控制策略———主動均衡分組控制策略（以SOC為基準）所需時間比常用的被動均衡策略減少4329s，減少比例為31．5％。

3并聯(lián)電池組的循環(huán)電流控制

在串聯(lián)電池主動均衡策略中，采用以SOC為比較基準進行均衡，這種均衡更能準確地反映電池的實際使用情況，保護電池不至于“過充”或“過放”，但是動力電池組是由多個串聯(lián)電池組并聯(lián)對外供電，所以以SOC為基準的均衡會出現(xiàn)并聯(lián)電池組電壓不一致的問題，出現(xiàn)循環(huán)電流。以電壓為基準的均衡電路，在使用過程中，由于電池內(nèi)阻不一致，內(nèi)阻大的電池放電時電壓下降更快，導致并聯(lián)電池組電壓不一致，并聯(lián)電池組間也會出現(xiàn)循環(huán)電流。因此，不管采用何種方式均衡，并聯(lián)電池組間都會出現(xiàn)電壓差而不時存在循環(huán)電流。由于電池內(nèi)阻只有毫歐級別，1V的電壓差就可以產(chǎn)生10A以上的循環(huán)電流。為此，我們設計了一種采用MOSFET管的低電壓大電流的單向?qū)娐啡鐖D6所示，MOSFET管M7與3、2之間的電池組串聯(lián)，MOSFET管M8和4、2之間的電池組串聯(lián)。雖然MOSFET管可以雙向?qū)?，但是通過控制策略可以實現(xiàn)單向?qū)?。以圖6為例，并聯(lián)電池組對外供電時，當U32＞U42，Switch1＝1、Switch2＝0，3和2之間的串聯(lián)電池組對外供電；當U32＜U42，Switch2＝1、Switch1＝0，4和2之間的串聯(lián)電池組對外供電。此并聯(lián)控制策略可以實現(xiàn)按電壓高低順序供電，有效攔截并聯(lián)電池組放電過程中的循環(huán)電流。

4結論

以SOC為基準的串聯(lián)電池主動均衡分組控制策略和常用的以電壓為基準的被動均衡策略相比，前者均衡時間比后者減少31．5％。通過并聯(lián)電池按電壓高低順序放電策略，有效減少了并聯(lián)電池間的循環(huán)電流，節(jié)約能源的同時還保護了電池。在充電電壓、電流基本一致的情況下，消耗能源與時間成正比，所以串聯(lián)電池主動均衡分組控制策略可以節(jié)約能源31．5％，再加上并聯(lián)系統(tǒng)節(jié)約的能源，文中設計的串并聯(lián)控制策略系統(tǒng)比常用均衡系統(tǒng)節(jié)約能源31．5％以上。

作者:張香林 吳曙東 李耐根 單位:新余學院