0 引言

    目前用于儲能系統(tǒng)中的動(dòng)力性電池主要有：鉛酸電池,、鎳氫電池和鋰離子電池,。由于鋰動(dòng)力電池具有無污染能量密度高、自放電率低,、循環(huán)壽命長等優(yōu)點(diǎn),，已被廣泛應(yīng)用于儲能領(lǐng)域^[1]。電池成組的方式有串聯(lián),、并聯(lián)和混聯(lián)三種,，其中串聯(lián)方式是目前大多數(shù)電動(dòng)車采用的成組方法^[2]。電池組的不一致性會(huì)造成電池組容量,、輸出功率,、電池利用率的衰減，從而降低純電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程,，增加使用成本^[3],。

    均衡電路可以分為能量消耗型和能量非消耗型。能量消耗型給電池組中每節(jié)單體電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻,，將過充的電池中多余能量消耗掉,，達(dá)到均衡目的；能量非消耗型,，即采用電感,、電容作為儲能元件，利用常見電源變換電路將多余能量在電池間進(jìn)行重新分配,，達(dá)到電池間能量轉(zhuǎn)移^[4],。例如，高速開關(guān)電容技術(shù)利用一組電容器在串聯(lián)儲能電源組相鄰儲能單體之間傳遞能量,，效率高,，控制簡單^[5]。

    對于電動(dòng)汽車車載蓄電池組這種電池?cái)?shù)量較多的應(yīng)用場合,，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化組合,、構(gòu)建分層式的均衡結(jié)構(gòu)可以更好地實(shí)現(xiàn)能量的跨越式傳遞，具有均衡路徑短,、均衡效率高,、擴(kuò)展能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)^[6]。

    按照均衡變量的不同,，均衡方法可以分為容量均衡法,、化學(xué)均衡法^[7]、電壓均衡法,、SOC均衡法^[8],。目前很多均衡研究以電壓作為均衡變量，但由于磷酸鐵鋰電池的自身特點(diǎn),，電壓并不能真實(shí)反映電池組容量狀態(tài)的一致性,，均衡效果不穩(wěn)定,。

    SOC表征當(dāng)前電池剩余容量占最大可用容量的比例，以SOC作為均衡變量時(shí),，可以忽略電池組內(nèi)單體電池間最大可用容量的差異,，使所有單體電池同時(shí)達(dá)到充放電截止電壓^[9]。同時(shí),，當(dāng)電池的SOC保持一致時(shí),，意味著所有單體均工作于相同的放電深度，避免由于放電深度不同導(dǎo)致的電池老化速度的差異,。

    本文結(jié)合上述多種方法的的優(yōu)點(diǎn),，提出以雙層主動(dòng)均衡系統(tǒng)為基礎(chǔ)、以SOC作為均衡變量的控制系統(tǒng),，簡要闡述了電池SOC的估算方法,，并在仿真環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了磷酸鐵鋰電池組在充電過程中的均衡控制，驗(yàn)證了此方法的高效性,。

1 雙層主動(dòng)均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

    本文設(shè)計(jì)了一套雙層主動(dòng)均衡系統(tǒng),，提出了相應(yīng)的控制策略，利用開關(guān)脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation,，PWM)信號,，分別控制頂層和底層電路中的開關(guān)管,，可以實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)能量的雙向傳遞,，快速、高效地實(shí)現(xiàn)電池組的均衡控制,。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

    頂層結(jié)構(gòu)中的電池單體數(shù)量較多，因此要求底層拓?fù)湟子诳刂?，并且擴(kuò)展性較強(qiáng),。可以采用基于反激變壓器的隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)既可實(shí)現(xiàn)將電壓過高的單體電池的能量反饋到整個(gè)電池組,，也可實(shí)現(xiàn)電池組的能量反饋到某個(gè)或某兩個(gè)過放的單體上。反激式變換器電路均衡速度快,、成本低,、結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)電路采用隔離式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),，可以有效實(shí)現(xiàn)電池組之間電氣隔離,，減小電池兼容影響^[10]。

    考慮到底層結(jié)構(gòu)中電池單體數(shù)量較少,，Buck-Boost變換器均衡結(jié)構(gòu)是一種非隔離式DC/DC變換器的分布式均衡技術(shù),，這種拓?fù)潆娏鬓D(zhuǎn)移路徑是雙向的,，可以實(shí)現(xiàn)自上而下或者自下而上的在相鄰的兩個(gè)儲能電源單體之間實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞。電路拓?fù)湟子趯?shí)現(xiàn),，能耗少,，且均衡效率高，在電池組單體個(gè)數(shù)發(fā)生變化時(shí)電路無須較大改動(dòng),，比較適合應(yīng)用于動(dòng)力電池組的均衡拓?fù)洹?/p>

    本文提出的雙層均衡結(jié)構(gòu)的電池分布如圖2所示,。此結(jié)構(gòu)有助于解決傳統(tǒng)均衡方法由于電池?cái)?shù)量過多造成的均衡路經(jīng)長、損耗較大,、均衡效率不高的問題,。

2 雙層均衡系統(tǒng)控制策略分析

2.1 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC估算方法

    由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近多輸入輸出參數(shù)函數(shù)、高度的非線性,、魯棒性和容錯(cuò)性等特點(diǎn),，可以準(zhǔn)確地對結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電池的SOC進(jìn)行估算。因此本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對電池進(jìn)行建模,。

    極限學(xué)習(xí)機(jī)(Extreme Learning Machine,，ELM)的方法與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單,、學(xué)習(xí)速度快,、參數(shù)容易調(diào)整且不易陷入局部最小等優(yōu)點(diǎn)，具有逼近多輸入輸出參數(shù)函數(shù),、高度的非線性,、魯棒性和容錯(cuò)性等特點(diǎn)^[11]。

    由于在對電池進(jìn)行充放電過程中,，電池的溫度變化很小,，因此以磷酸鐵鋰電池的電壓、電流作為模型的輸入,，以SOC作為模型的輸出,。

    本文選用新威BTS-5 V/200 A電池監(jiān)控系統(tǒng)，對容量為10 Ah,、額定電壓為3.5 V的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行不同電流的放電實(shí)驗(yàn),。在室溫(25 ℃)環(huán)境中，將電池從滿充狀態(tài)下分別以1 A～10 A的恒定電流放電,，直到電池電壓下降到電池截止電壓(2.5 V)為止,。上位機(jī)通過CAN總線每1 s讀取一次電池電壓、電流的數(shù)據(jù),，SOC可以通過電流積分法計(jì)算獲得,。例如，4 A和8 A的電流放電所得的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1所示。

    以電池在不同放電倍率下的電壓,、電流值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練集,，在MATLAB\R2010a環(huán)境下，將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)模型中對模型進(jìn)行訓(xùn)練,。取放電電流為4 A的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為測試樣本,，檢驗(yàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化性能。建立的SOC估算模型的訓(xùn)練速度和泛化性能如表2所示,。其中RMSE為均方根誤差,。

2.2 以SOC為均衡變量的判定方法

    均衡算法模塊通過均衡策略分析各電池的荷電狀態(tài)，并為均衡電路提供實(shí)時(shí)有效的PWM信號,。PWM信號周期T與占空比D的定義如下所示:

    其中t₁,、t₂分別是一個(gè)均衡周期內(nèi)電感存儲能量的時(shí)間和釋放能量的時(shí)間。

    其中,，均方差ε可以代表電池組荷電狀態(tài)的不一致性,。本文將均衡開啟的條件設(shè)定為：均方差ε≥γ。當(dāng)系統(tǒng)判定電池組滿足均衡開啟的條件,，頂層均衡控制器將會(huì)對相鄰差值ΔSOC≥η的電池模塊進(jìn)行均衡操作,，其中γ、η是均衡控制策略中設(shè)定的閾值,。

2.3 底層均衡模塊控制方法

    底層雙向Buck-Boost均衡拓?fù)淙鐖D3所示,。其中，B₁,、B₂…B_n是底層電池單體,。

    假設(shè)檢測到當(dāng)前狀態(tài)下電池組的不一致性ε滿足均衡開啟條件，并且底層電池單體B1和B2之間的ΔSOC超過設(shè)定的閾值(SOC₁>SOC₂),，則需要開啟均衡電路,。整個(gè)均衡過程分為B₁放電和B₂充電兩個(gè)階段,。

    同理可知,，當(dāng)SOC₁<SOC₂時(shí)，B₂也可以將過充的能量轉(zhuǎn)移給B₁,，實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞,。

2.4 頂層均衡模塊控制方法

    頂層均衡控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。其中B₁,、B₂,、B₃、B₄是由若干個(gè)電池單體組成的頂層電池模塊,。

    假設(shè)當(dāng)前狀態(tài)下電池組的不一致性ε滿足均衡開啟條件,，需要開啟均衡電路，并且電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到B₁電池模塊的SOC值最高，則對B₁電池模塊進(jìn)行均衡操作,。整個(gè)底層均衡周期分為B₁放電和整個(gè)電池組充電兩個(gè)階段,。

    B₁放電過程：當(dāng)t=0時(shí)，通過控制PWM信號使開關(guān)管Q₁,、Q₂閉合,，將B₁中過充的能量存儲在變壓器的原邊繞組中。當(dāng)t=t₁時(shí),，變壓器原邊電流i_L到達(dá)最大值i_max,。

    整個(gè)電池組充電過程：當(dāng)t=t₁時(shí)，控制開關(guān)管Q₁,、Q₂斷開,，Q₉閉合，原邊繞組中的勵(lì)磁能量通過副邊繞組轉(zhuǎn)移到電池組,，直到副邊電流減小到0為止,。

    每個(gè)均衡周期結(jié)束之后，若監(jiān)測當(dāng)前狀態(tài)下電池組的不一致性ε不滿足均衡開啟條件,，則停止均衡,；反之，則繼續(xù)對當(dāng)前能量值最高的電池單元進(jìn)行均衡操作,，直到電池組的不一致性ε小于均衡策略中設(shè)定的閾值γ,，停止均衡。

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

    本文在MATLAB/SimPowerSystem仿真環(huán)境中進(jìn)行均衡仿真實(shí)驗(yàn),。對給定初始SOC的電池組進(jìn)行均衡充電,，通過監(jiān)控電池狀態(tài)的改變，測試均衡系統(tǒng)的性能,。將雙層均衡系統(tǒng)與傳統(tǒng)單層Buck-Boost均衡系統(tǒng)進(jìn)行對比,，驗(yàn)證了本文提出的均衡控制系統(tǒng)的高效性。

    均衡實(shí)驗(yàn)選定額定電壓為3.5 V,、額定容量為10 Ah,、額定電流為5 A的磷酸鐵鋰電池單體作為實(shí)驗(yàn)對象。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)含有6個(gè)電池單體的雙層均衡電池組,，分為兩個(gè)底層均衡模塊,，分別含有三個(gè)電池單體。第一個(gè)底層電池組包含的電池單體編號依次為1,、2,、3，第二個(gè)底層電池組包含的電池單體編號依次4,、5,、6,，給定其初始的電池荷電狀態(tài)為SOC₁=95%、SOC₂=90%,、SOC₃=88%和SOC₄=85%,、SOC₅=82%、SOC₆=80%,。經(jīng)過分析,，設(shè)定PWM控制信號的頻率為100 kHz，D=30%,，η=0.1%,，γ=0.001。

    對電池組進(jìn)行均衡充電實(shí)驗(yàn),，充電方式為電流為5 A的恒流充電,。雙層均衡系統(tǒng)的電池單體SOC變化如圖5所示。

    由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知,，本文提出的雙層均衡系統(tǒng)精確地完成了均衡目標(biāo),，電池組內(nèi)6個(gè)電池單體的荷電狀態(tài)在t=600 s的時(shí)刻達(dá)到了一致狀態(tài)，快速高效地消除了組內(nèi)電池單體的不一致性,，實(shí)現(xiàn)了電池模塊內(nèi)以及電池模塊之間的均衡,。

4 結(jié)論

    針對由于電池單體的不一致性導(dǎo)致的電池組容量和使用壽命衰減的問題，本文通過分析雙層主動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)的原理以及電池SOC的估算方法,，設(shè)計(jì)了一種基于雙層結(jié)構(gòu)的主動(dòng)雙向均衡系統(tǒng),，提出了一種以SOC作為判據(jù)的均衡策略。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，本文設(shè)計(jì)的雙層主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)可以精確地實(shí)現(xiàn)均衡目標(biāo),，有效防止了由于電池組內(nèi)的不一致性造成的部分單體過充現(xiàn)象的發(fā)生，并且改善了單層均衡結(jié)構(gòu)由于均衡路徑長而引起的均衡時(shí)間過久的缺陷,，在很大程度上提高了均衡效率,，有助于提高電動(dòng)汽車的性能。

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