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(shí)間長，并且沒有對并聯(lián)電池之間的循環(huán)電流進(jìn)行有效管理。針對充電時(shí)間和循環(huán)電流，設(shè)計(jì)基于SOC的串聯(lián)電池主動均衡的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、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(gòu)成的電池組進(jìn)行均衡仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明該系統(tǒng)的均衡時(shí)間比常用的均衡系統(tǒng)所用時(shí)間減少31．5％，證明設(shè)計(jì)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(shí)，消耗能源與時(shí)間成正比，該系統(tǒng)節(jié)約能耗大于31．5％。

關(guān)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(dǎo)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(jìn)行精細(xì)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(gòu)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(jìn)行優(yōu)化，并通過仿真進(jìn)行驗(yàn)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(chǔ)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(zhǔn)確地表達(dá)鋰電池工作實(shí)際情況，我們通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)構(gòu)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(jìn)一步擴(kuò)大。為了避免這種差異的進(jìn)一步擴(kuò)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(jìn)行精確管理，做到每節(jié)電池既不過充又不過放，才能保護(hù)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(dá)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(dá)到4．2V，那么TL431導(dǎo)通，觸發(fā)TIP42三極管導(dǎo)通，充電電流經(jīng)過TIP42給下一節(jié)電池充電，同時(shí)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(shí)間長，消耗功率大。而且這種電路是以比較電壓為基準(zhǔn)，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(shí)際情況，因此容易出現(xiàn)電池“表面均衡”而實(shí)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(shí)間長，而且還具有“表面均衡”的缺點(diǎn)，因此我們對串聯(lián)電池均衡系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。由于SOC（剩余容量）比電壓更能反映電池的實(shí)際工作狀況，因此我們設(shè)計(jì)了以SOC為比較基準(zhǔn)的主動型均衡控制仿真系統(tǒng)，如圖3所示。以SOC為基準(zhǔn)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(guān)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(guān)閉均衡。該均衡電路不受拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的約束，可以在電池任何時(shí)間段、任何電池間均衡，便于實(shí)施均衡控制策略，節(jié)約均衡時(shí)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(shí)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(shí)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(shè)為0．75、0．73、0．63、0．60，在模擬充電過程中實(shí)施主動均衡、分組控制策略，仿真運(yùn)行結(jié)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(shí)，其SOC值隨時(shí)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(shí)就主動均衡；電池3和電池4也在未充滿時(shí)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(jié)果可知實(shí)施分組主動均衡策略的4節(jié)電池充滿所花時(shí)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(yùn)行結(jié)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(shí)其SOC值隨時(shí)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(biāo)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(jié)果分析

從仿真結(jié)果可知，實(shí)施主動均衡分組控制策略的4節(jié)電池充滿所花時(shí)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(shí)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(zhǔn)）所需時(shí)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(zhǔn)進(jìn)行均衡，這種均衡更能準(zhǔn)確地反映電池的實(shí)際使用情況，保護(hù)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(zhǔn)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(zhǔn)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(shí)電壓下降更快，導(dǎo)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(shí)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(shè)計(jì)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)ǎ峭ㄟ^控制策略可以實(shí)現(xiàn)單向?qū)?。以圖6為例，并聯(lián)電池組對外供電時(shí)，當(dāng)U32＞U42，Switch1＝1、Switch2＝0，3和2之間的串聯(lián)電池組對外供電；當(dāng)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(shí)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(jié)論

以SOC為基準(zhǔn)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(zhǔn)的被動均衡策略相比，前者均衡時(shí)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(shí)還保護(hù)了電池。在充電電壓、電流基本一致的情況下，消耗能源與時(shí)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(shè)計(jì)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(xué)院