鉅大LARGE | 點擊量：739次 | 2021年12月23日
電動汽車電池均衡控制的建模與分析
電動汽車（EV）的電池組中，單體電池的不一致性會降低電池組的使用水平，影響EV的性能。研究先進(jìn)的電池均衡控制技術(shù)，以減輕單體電池在使用過程中出現(xiàn)的差異，將能夠最大限度地發(fā)揮電池的效率、延長使用壽命、新增EV的安全性。
本文作者研究的均衡理論和控制技術(shù)，并不能夠解決電池由于制造工藝而導(dǎo)致的性能差異，生產(chǎn)工藝和篩選標(biāo)準(zhǔn)是電池組在使用前一致性的決定因素。
1智能均衡的控制模型
由于在電池組中有可能同時存在剩余能量低和高的電池，因此高性能的均衡管理系統(tǒng)要具備充放電均衡功能，還要有良好的充放電均衡匹配和控制策略，以及放電能量的回收再利用控制。
基于上述考慮，本文作者提出了用于EV串聯(lián)電池組中單體電池之間能量均衡管理的能量閉環(huán)智能控制模型，見圖1。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
圖1能量閉環(huán)智能控制模型的基本原理
圖1中，Idis為用于均衡的放電電流；Udis為用于均衡的放電電壓；Ichi為用于第i只電池均衡的充電電流；Uchi為用于第i只電池均衡的充電電壓。圖1表明了模型中能量的流動匹配原理。該模型為每個單體電池配備了一個獨立的充電單元，所有充電單元的能量均由串聯(lián)電池組的放電能量轉(zhuǎn)換而來，均衡能量在獨立于系統(tǒng)外界能量的閉合環(huán)路中流動。用于均衡的放電功率為Wdis，而用于均衡的充電功率為Wch，如式（1）、（2）。
假如忽略能量在線路中流動的損失和能量轉(zhuǎn)換裝置的效率損失，則用于均衡的放電功率等于充電功率。依據(jù)此原理建立的均衡能量平衡方程為：
在忽略電池充放電效率差別的前提下，關(guān)于放電電流等于充電電流的單體電池，放電能量將等于充電能量，其能量將保持動態(tài)平衡；對放電電流小于充電電流的單體電池，放電能量將小于充電能量，能量將會不斷新增，放電電流越小，能量新增的速度越快，反之亦然。
在能量的流動過程中，一方面，通過整組電池的放電出現(xiàn)放電均衡的能量。在放電均衡過程中，盡管所有電池的放電電流相同，但是剩余能量高的電池由于電動勢高，實際放出的能量也多，即該電池的放電能量所占的比例就越高，反之亦然。
另一方面，整組電池的放出能量又經(jīng)過能量的轉(zhuǎn)換，通過獨立的充電，為能量低的電池補充能量。在充電均衡的過程中，剩余能量低的電池由于電動勢低而使得充電電流大，根據(jù)式（2），該電池得到的充電能量就越大，即該電池的充電能量所占的比例就越高，反之亦然。
假如所有單體電池采用的充放電均衡的線路和參數(shù)完全相同，則均衡能量的分配和流動僅取決于單體電池的能量狀態(tài)。剩余能量越少，該電池充進(jìn)的能量越多，放出的能量越少，反之亦然。既不會出現(xiàn)所有電池能量都下降的現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)所有電池能量都上升的現(xiàn)象。一致性較好的電池，剩余能量狀態(tài)始終動態(tài)保持較好的一致性；一致性差的電池中，剩余能量高的電池充電的能量小于放出的能量，甚至充電的能量等于零，結(jié)果是能量快速放出，從而趨近于一致性較好的電池；剩余能量低的電池充電的能量大于放出的能量，結(jié)果是能量快速得到補充，從而也趨近于一致性較好的電池。實際的均衡效果是放電能量從能量高的電池流向能量低的電池，宏觀表現(xiàn)為電池組的能量在所有單體電池之間實現(xiàn)了均衡分布和調(diào)整。該模型能夠根據(jù)單體電池能量狀態(tài)的高低差別，實現(xiàn)電池組能量自動的、比例的流動和分配，能量均衡過程具有高度智能性。
2智能均衡的控制策略
根據(jù)上述模型，提出一種逆變分壓動態(tài)充放電均衡控制策略，原理見圖2。
圖2逆變分壓動態(tài)充放電均衡控制原理圖
電容C1、C2，功率開關(guān)管（IGBT）T1、T2，多抽頭高頻變壓器T構(gòu)成了一個標(biāo)準(zhǔn)的半橋式逆變拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)。串聯(lián)電池組與該逆變電路構(gòu)成放電回路，高頻逆變電路的設(shè)計使均衡模塊的效率達(dá)到85%以上。根據(jù)單體電池的數(shù)目設(shè)計，T有N個副邊繞組，每個副邊繞組和兩個快恢復(fù)二極管及一個電容構(gòu)成一路全波整流及濾波電路，再與相對應(yīng)的單體電池構(gòu)成一路獨立的充電回路。逆變電路將電池組的高壓直流電逆變成低壓高頻交流電，再經(jīng)過全波整流和濾波處理變換成低壓直流電，為單體電池充電，從而構(gòu)成能量單向流動的閉合環(huán)路。
在本文模型中，所有充電單元的參數(shù)完全相同，因此T的所有副邊繞組在設(shè)計上完全相同，充電電壓Ui~Un相等。根據(jù)半橋逆變電路的工作原理，此充電電壓為：
Uch為單體電池的充電電壓；Ut為電池組在均衡充放電狀態(tài)下的總電壓；為逆變電路的占空比，即功率開關(guān)T1或T2的開通時間與開關(guān)周期的比值；Np為高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)；Ns為高頻變壓器副邊繞組匝數(shù)。
式（4）在理論上表明了均衡充放電狀態(tài)下的電池組總電壓與均衡充電電壓之間的關(guān)系。一方面，N個相等的Uch實際上是Ut的某個比例［（Ns/2Np）×δ］分壓；另一方面，在δ不變的條件下，可以通過調(diào)整高頻變壓器原邊繞組的匝數(shù)調(diào)整匝比（Ns/Np）以控制充電電壓，也可以在匝比（Ns/Np）不變的條件下，通過控制δ的大小，控制Uch的大小。Uch越高，充電電流就越大，充電能量也就越大，同時在電池組中接受充電均衡的電池就越多，反之亦然。
根據(jù)電池監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可實時掌握電池組的不一致態(tài)勢及變化趨勢，及時確定要接受充電均衡的電池數(shù)目和均衡充放電力度。利用高頻變壓器的匝比調(diào)節(jié)和占空比調(diào)節(jié)，既可控制放電均衡的強度，又可控制充電電壓的高低，從而達(dá)到選擇電池組中接受充電均衡的電池單體和控制均衡強度，實現(xiàn)動態(tài)均衡控制的目的。不同電池的充放電特性不同，應(yīng)用本文的均衡策略，還要依據(jù)充放電特性曲線確定合理的控制參數(shù)。
3結(jié)論
本文作者提出了一種能量閉環(huán)智能充放電均衡控制模型。
能量均衡在電池組內(nèi)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，無需系統(tǒng)外部供應(yīng)均衡能量，在充放電和靜置狀態(tài)均可進(jìn)行，并對均衡過程中的放電能量實現(xiàn)了高效率的回收再利用。尤其在易于造成EV電池不一致程度迅速擴大的大功率放電過程中，對落后電池給予及時的能量補充，一致性可始終保持在較高的水平；提出了一種逆變分壓動態(tài)充放電均衡控制策略。通過基于逆變分壓的能量轉(zhuǎn)換裝置，回收電池組自身的放電均衡能量，并轉(zhuǎn)換成充電均衡能量，從而構(gòu)成均衡能量的閉環(huán)單向流動環(huán)路。根據(jù)單體電池能量狀態(tài)的不同，自動實現(xiàn)了單體電池之間能量的動態(tài)、比例流動分配。根據(jù)電池的分散程度動態(tài)、合理地選擇接受充電均衡的對象和調(diào)整均衡的強度，通過調(diào)節(jié)高頻變壓器的匝比和功率開關(guān)的占空比，實現(xiàn)接受充電均衡電池的數(shù)目和均衡強度的自動調(diào)節(jié)與控制，智能調(diào)節(jié)每只電池的均衡充放電能量，最終實現(xiàn)整組電池的均衡管理和控制。
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