鋰電池能量管理系統優化探究
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摘要：由于鋰電池的內阻等參數存在差異，需要對每個電池均衡管理才能發揮整個電池組的最佳性能。常用的均衡管理系統是基于電壓的串聯電池均衡管理，充電時間長，并且沒有對并聯電池之間的循環電流進行有效管理。針對充電時間和循環電流，設計基于SOC的串聯電池主動均衡的拓撲結構、分組控制策略系統，以及并聯電池有序放電策略系統。以4節電池串聯構成的電池組進行均衡仿真實驗，結果表明該系統的均衡時間比常用的均衡系統所用時間減少31．5％，證明設計的均衡系統和控制策略有效。并聯電池有序放電策略系統減少了并聯電池間的循環電流，因此在充電電壓、電流基本一致時，消耗能源與時間成正比，該系統節約能耗大于31．5％。
關鍵詞：分組控制；鋰電池；能量管理系統；串聯電池均衡控制系統；并聯電池組循環電流控制
0引言
鋰電池作為新能源動力系統，是通過串并聯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，需要對每一節電池進行精細化管理，使得每一節電池都不過度使用。為此，本文將通過MATLAB的電池模型［3］，構建基于SOC的主動均衡的串聯電池充電系統和并聯電池有序放電策略，對鋰電池組能量管理系統進行優化，并通過仿真進行驗證。
1鋰電池等效電路模型［4，5］
串聯充電均衡控制仿真系統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，我們通過實驗數據構建二維動態變化的仿真模型，其模型參數通過lookuptable模塊、二維查表的方式確定其動態值。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串聯電池均衡控制系統［6，7］
鋰離子電池在生產過程中，由于工藝、流程、環境和人員的差異，各個動力電池必然存在不同，主要表現在電池容量、內阻等方面。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電池的充、放電情況進行精確管理，做到每節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約能源。
2．1串聯電池被動均衡控制系統
由于電池的差異主要表現在內阻上，性能好的內阻小，性能差的內阻大，因此串聯電池組中，內阻大的電池先充滿，首先達到高電壓。被動型均衡電路如圖2所示，假如第二節電池首先達到4．2V，那么TL431導通，觸發TIP42三極管導通，充電電流經過TIP42給下一節電池充電，同時第二節電池放電。這種均衡系統是被動型，電路容易發熱，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，因此容易出現電池“表面均衡”而實際并不均衡的問題。
2．2串聯電池主動均衡控制系統
由于被動均衡系統充電時間長，而且還具有“表面均衡”的缺點，因此我們對串聯電池均衡系統進行優化。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，如圖3所示。以SOC為基準的主動均衡控制系統的工作原理是：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，節約均衡時間。
2．3串聯電池主動均衡控制策略
串聯電池主動均衡控制系統中，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。在同一組的串聯電池先均衡，然后在不同組的電池間均衡，以節約均衡時間。我們通過MATLAB的Simulink搭建4節不同SOC值的串聯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節串聯電池模擬充電時，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節電池充滿所花時間為9386s。
2．4串聯電池被動均衡控制策略
串聯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節電池充滿所花時間為9386s；而采用被動均衡控制策略的4節電池充滿且均衡所需時間為13715s。由此可知，我們優化的系統控制策略———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并聯電池組的循環電流控制
在串聯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電池組并聯對外供電，所以以SOC為基準的均衡會出現并聯電池組電壓不一致的問題，出現循環電流。以電壓為基準的均衡電路，在使用過程中，由于電池內阻不一致，內阻大的電池放電時電壓下降更快，導致并聯電池組電壓不一致，并聯電池組間也會出現循環電流。因此，不管采用何種方式均衡，并聯電池組間都會出現電壓差而不時存在循環電流。由于電池內阻只有毫歐級別，1V的電壓差就可以產生10A以上的循環電流。為此，我們設計了一種采用MOSFET管的低電壓大電流的單向導通電路如圖6所示，MOSFET管M7與3、2之間的電池組串聯，MOSFET管M8和4、2之間的電池組串聯。雖然MOSFET管可以雙向導通，但是通過控制策略可以實現單向導通。以圖6為例，并聯電池組對外供電時，當U32＞U42，Switch1＝1、Switch2＝0，3和2之間的串聯電池組對外供電；當U32＜U42，Switch2＝1、Switch1＝0，4和2之間的串聯電池組對外供電。此并聯控制策略可以實現按電壓高低順序供電，有效攔截并聯電池組放電過程中的循環電流。
4結論
以SOC為基準的串聯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％。通過并聯電池按電壓高低順序放電策略，有效減少了并聯電池間的循環電流，節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，所以串聯電池主動均衡分組控制策略可以節約能源31．5％，再加上并聯系統節約的能源，文中設計的串并聯控制策略系統比常用均衡系統節約能源31．5％以上。
作者:張香林 吳曙東 李耐根 單位:新余學院