許　爽,孫　冬,柳欽煌

(1.中州大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州450044;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072;3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 450002)

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一種鋰電池組無(wú)損均衡管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

許爽1*,孫冬2,3,柳欽煌2

(1.中州大學(xué)信息工程學(xué)院,鄭州450044;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,上海 200072;3.鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,鄭州 450002)

摘要:針對(duì)動(dòng)力鋰電池組充放電過(guò)程中,各單體電池之間存在的不一致性,設(shè)計(jì)了超級(jí)電容與雙向DC-DC變流器相結(jié)合的無(wú)損均衡管理系統(tǒng)。采用無(wú)跡卡爾曼濾波法估算鋰電池的荷電狀態(tài),與通常采用的擴(kuò)展卡爾曼濾波器進(jìn)行了對(duì)比研究,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本系統(tǒng)能夠快速、高效地實(shí)現(xiàn)鋰電池組的均衡控制,實(shí)現(xiàn)精確地鋰電池SOC(State of Charge)估計(jì),提高了動(dòng)力鋰電池組的可靠性和安全性。

關(guān)鍵詞:動(dòng)力鋰電池組;能量無(wú)損均衡;無(wú)跡卡爾曼濾波;擴(kuò)展卡爾曼濾波

電動(dòng)汽車(chē)具有零排放、零污染、低噪聲等特點(diǎn),成為今后我國(guó)大力發(fā)展的交通工具。鋰電池由于其高功率密度、單體電壓高等特性,是常用的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源。動(dòng)力鋰電池組中,單體電池的不一致性,會(huì)減少鋰電池組的有效能量,影響電動(dòng)汽車(chē)的性能。因此研究可靠、高效的鋰電池組均衡管理系統(tǒng),降低電池組中單體電池的差異性,保障動(dòng)力鋰電池管理系統(tǒng)的可靠性和安全性,延長(zhǎng)動(dòng)力鋰電池組的使用壽命,對(duì)電動(dòng)汽車(chē)有重大的意義[1-2]。

鋰電池組均衡管理系統(tǒng)是電池管理系統(tǒng)的重要組成部分,其目的是保證電池組中單體電池的荷電狀態(tài)相同,防止使用過(guò)程中由于過(guò)充、過(guò)放對(duì)單體電池造成的損害,降低鋰電池組的性能[2]。

目前,常用的鋰電池均衡電路主要分為2種:能量耗散型和非能量耗散型。能量耗散型的均衡電路最為簡(jiǎn)單、可靠、成本低,即為每個(gè)電池并聯(lián)分流電阻,同時(shí)也具有能耗大、效率低、均衡速度慢、散熱困難等缺點(diǎn)[2];因而,有人提出了非能量耗散型均衡方法,開(kāi)關(guān)電感、電容法,利用電感和電容作為儲(chǔ)能元件,開(kāi)關(guān)電路作為電池組各單體電池的選擇控制,但該方法均衡速度慢、效率低,不適合快速充電場(chǎng)合[2-3];DC-DC變壓器法,可采用集中式控制,均衡速度快、效率高、適用各種場(chǎng)合,但變壓器設(shè)計(jì)難度大,漏感的問(wèn)題也難解決;還有分散式均衡法,即為每個(gè)電池配備均衡電路,設(shè)計(jì)成本較高[4-5]。

綜合考慮以上因素,本文提出了超級(jí)電容與DC-DC電路相結(jié)合的方法,采用集中式控制的方式,既具有均衡效率高、速度快的特點(diǎn),又適合各種場(chǎng)合、設(shè)計(jì)成本低等優(yōu)點(diǎn),并設(shè)計(jì)了與之相適應(yīng)的均衡管理系統(tǒng)。

1　均衡系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

動(dòng)力鋰電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。本系統(tǒng)中的動(dòng)力鋰電池組由16節(jié)單體鋰電池串聯(lián)組成,每節(jié)鋰電池的最高電壓為3.65 V,最低電壓為2 V。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)鋰電池的充放電電流、單體電壓、溫度等數(shù)據(jù),微控制器對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,計(jì)算各單體電池的荷電狀態(tài)SOC(State of Charge)。通過(guò)CAN通信將檢測(cè)信息上報(bào)給上位機(jī)系統(tǒng),或?qū)z測(cè)信息存儲(chǔ)到EEPROM中,方便上位機(jī)系統(tǒng)翻查歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)力鋰電池的維護(hù);控制器采用飛思卡爾公司的汽車(chē)級(jí)控制器MPC5604B,以保證整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性。

圖1　動(dòng)力鋰電池組均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2　均衡模塊設(shè)計(jì)

2.1單體電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

鋰電池組的單體電壓檢測(cè)電路原理圖如圖2所示。16節(jié)電池分為上下2個(gè)8節(jié)電池組檢測(cè),圖2為下8節(jié)電池電壓檢測(cè),圖中M1、M2為模擬開(kāi)關(guān)器件,M3為儀表放大器,通過(guò)控制器來(lái)控制選通U0～U8(8節(jié)電池順序排列的正負(fù)極),V1、V2為選通的一節(jié)電池的正負(fù)極電壓,M3檢測(cè)出的電壓送入ADC轉(zhuǎn)換器,即得到鋰電池組中各單體電池電壓值。采用本方案設(shè)計(jì),可省去使用多個(gè)成本高的儀表放大器,選用2個(gè)模擬開(kāi)關(guān)可避免放生電池短路,器件需選擇高電壓模擬開(kāi)關(guān)和高共模電壓抑制比的放大器,例如美信公司的MAX14752。

圖2　電池單體電壓檢測(cè)電路原理圖

2.2均衡主電路設(shè)計(jì)

鋰電池組均衡主回路電路原理圖如圖3所示,主要包括開(kāi)關(guān)陣列和雙向DC-DC變換電路。開(kāi)關(guān)陣列主要實(shí)現(xiàn)鋰電池的選擇,單刀繼電器K1～K16用來(lái)選擇單雙號(hào)電池,單刀雙擲繼電器Ka和Kb用來(lái)選擇單節(jié)電池;雙向DC-DC變換器電路可工作于Boost狀態(tài)和Buck狀態(tài),Boost狀態(tài)下,由電池給超級(jí)電容充電,控制Q1可實(shí)現(xiàn);Buck狀態(tài)下,由超級(jí)電容給電池放電,控制Q2可實(shí)現(xiàn)。

圖3　均衡主回路電路原理圖

2.3均衡管理控制策略

本文采用的均衡控制策略以鋰電池的SOC為控制目標(biāo),使鋰電池組中單體差異減小。

系統(tǒng)首先檢測(cè)各單體電池電壓、充放電電流、溫度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),根據(jù)這些信息計(jì)算各單體電池的SOC,并實(shí)時(shí)記錄鋰電池的SOC,當(dāng)檢測(cè)到充放電結(jié)束,將記錄的各電池SOC求均值SOCAVG,以最大SOC和最小SOC值的差是否大于5%為依據(jù),來(lái)控制均衡電路工作。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)陣列選擇SOC最大的單體電池,使雙向DC-DC工作于Boost狀態(tài),以電荷ΔSOC=SOCMAX-SOCAVG為控制目標(biāo),控制均衡電流為5 A以內(nèi)(根據(jù)具體的鋰電池選擇適合的均衡電流),采用安時(shí)法計(jì)算均衡的時(shí)間;同樣的方法,選擇SOC最小的電池,使雙向DC-DC工作于Buck狀態(tài),均衡時(shí)間由安時(shí)法計(jì)算所得;繼續(xù)進(jìn)行SOCMAX-SOCMIN>5%判斷,直到均衡結(jié)束。該程序的流程圖如圖4所示。

圖4　均衡控制程序流程圖

3　鋰電池的SOC估算

由以上的分析可以看出,本系統(tǒng)的均衡控制以各單體電池的SOC差異為目標(biāo),因此,精確地估算鋰電池的SOC非常重要。

常用的鋰電池SOC估算方法主要包括:安時(shí)法、開(kāi)路電壓法、卡爾曼濾波法等。由于鋰電池非線性的特性,通常采用擴(kuò)展卡爾曼濾波法(EKF)來(lái)估算SOC,但由于其需要將非線性部分采用泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)線性化,所以估計(jì)誤差較大,本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)跡卡爾曼濾波法(UKF)的SOC估算。

3.1鋰電池的等效模型

本文使用電池的Thevenin等效電路模型,如圖5所示。其中UL為負(fù)載電壓,Uoc為鋰電池開(kāi)路電壓,Ro為鋰電池的歐姆電阻,Rp和Cp為鋰電池的極化電阻和極化電容。

圖5　鋰電池Thevenin等效電路模型

根據(jù)模型電路,可建立Thevenin模型的狀態(tài)方程,將該方程離散化,可得到鋰電池的離散系統(tǒng)方程,如式(1)所示

(1)

其中η為電池庫(kù)倫效應(yīng)系數(shù),CN為電池的額定容量,Ts為系統(tǒng)的采樣時(shí)間,系統(tǒng)狀態(tài)變量為X(k)=[Up(k)SOC(k)]T,系統(tǒng)輸入為電流I(k),系統(tǒng)輸出為端電壓UL(k),開(kāi)路電壓Uoc為SOC的函數(shù)。

3.2基于UKF的SOC估算

UKF的核心是一種UT非線性變換,該變換可使估計(jì)精度達(dá)到泰勒級(jí)數(shù)四階的精度,明顯高于EKF的二階精度[6-7]。

估算程序的設(shè)計(jì)步驟如下[8-9]:

(1)確定系統(tǒng)初始狀態(tài),sigma點(diǎn)和權(quán)值計(jì)算

(2)

(3)

其中L=2為系統(tǒng)的階數(shù),λ=α2(L+δ)-L為控制參數(shù),α為sigma點(diǎn)的分布狀態(tài),δ=0,β=2為非負(fù)權(quán)系數(shù),P為協(xié)方差。

(2)狀態(tài)預(yù)測(cè)和先驗(yàn)狀態(tài)估計(jì)

X(i)(k+1|k)=f[k,X(i)(k|k)]

(4)

(5)

其中f(·)為式(1)中所示狀態(tài)方程的表達(dá)式。

(3)協(xié)方差矩陣和先驗(yàn)估計(jì)的sigma點(diǎn)計(jì)算

(6)

i=1,…,2L

(7)

其中Q為狀態(tài)方程中噪聲信號(hào)的方差。

(4)觀測(cè)值預(yù)測(cè)和協(xié)方差矩陣計(jì)算

(8)

(9)

(10)

其中g(shù)(·)為式(1)中觀測(cè)方程的表達(dá)式,R為觀測(cè)噪聲的方差。

(5)協(xié)方差矩陣和卡爾曼增益計(jì)算

(11)

K(k)=PXY(k)*[PY(k)]-1

(12)

(13)

P(k+1|k+1)=P(k+1|k)-K(k)PY(k)KT(k)

(14)

3.3UKF算法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用MATLAB與ADVISOR汽車(chē)仿真軟件相結(jié)合的方法,將UDDS工況用于鋰電池的測(cè)試實(shí)驗(yàn),保證鋰電池充滿電,進(jìn)行1次UDDS循環(huán)放電,實(shí)時(shí)記錄鋰電池電壓、電流和溫度等工作參數(shù)。

采用EKF和UKF2種方法對(duì)鋰電池SOC進(jìn)行估計(jì)。對(duì)比測(cè)試波形如圖6所示,圖6(a)為UDDS工況波形,圖6(b)、6(c)是2種方法的對(duì)比曲線。EKF估計(jì)的誤差為4.5%左右,而UKF估計(jì)的精度可達(dá)到2%之內(nèi)。

圖6　鋰電池SOC估計(jì)實(shí)驗(yàn)波形

4　結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了以超級(jí)電容和雙向DC-DC變換器相結(jié)合構(gòu)成的鋰電池組均衡管理系統(tǒng);

(2)實(shí)驗(yàn)證明,本均衡管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了鋰電池組的無(wú)損均衡控制,其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖7所示;

(3)設(shè)計(jì)了基于UKF的鋰電池SOC估算方法,該方法由于采用UT變換,比EKF法具有更高的估計(jì)精度,經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,鋰電池的SOC估計(jì)精度可達(dá)2%以內(nèi),保證了均衡系統(tǒng)的高速、高效地運(yùn)行,提高了動(dòng)力鋰電池組使用的可靠性和安全性。

圖7　均衡前后實(shí)驗(yàn)對(duì)比波形

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許爽(1978-),女,漢族,河南省鄭州市,中州大學(xué)信息工程學(xué)院講師,碩士研究生,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用,xsh-01@163.com。

ANovelSchemeofNon-DissipativeEqualizationManagementSystemforLithiumBatteryPack*

XUShuang1*,SUNDong2,3,LIUQinhuang2

(1.Institute of Information Engineering,Zhongzhou University,Zhengzhou 450044,China;2.School of Mechatronics Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China;3.College of Electric and Information Engineering,Zhengzhou University of Light Industry,Zhengzhou 450002,China)

Abstract:According to inequality of each single battery in charge and discharge process,a non-dissipative equalization system is introduced for the power lithium battery pack,which is comprised of super capacity and bidirectional DC-DC converter.Adopting unscented Kalman filter to estimate batteries state of charge,and a comparative study is introduced by using extended Kalman filter.Experiments show that this system can equalize the battery energy quickly and efficiently,achieve the accurate SOC(State of Charge)estimation of battery,and improve the reliability and security of the lithium battery pack.

Key words:power lithium battery pack;energy non-dissipative equalization;unscented Kalman filter;extended Kalman filter

doi:EEACC:841010.3969/j.issn.1005-9490.2014.04.047

中圖分類(lèi)號(hào):TN710

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005-9490(2014)04-0799-04

收稿日期:2013-11-09修改日期:2013-12-05

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家863高技術(shù)基金項(xiàng)目(2011AA11A247)