趙 鋼， 郭 沛

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

基于Stateflow的動(dòng)力電池均衡仿真研究

趙 鋼， 郭 沛

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300384)

動(dòng)力電池的均衡控制作為電池管理系統(tǒng)(BMS)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，決定了電池組的使用效率和壽命。采用一種基于電感的雙向非能耗型均衡控制電路，結(jié)合Stateflow技術(shù)，在MATLAB中完成了對(duì)該電路的仿真。結(jié)果表明，該控制電路能快速實(shí)現(xiàn)電池間電量的均衡。

動(dòng)力電池；均衡控制；Stateflow；MATLAB

作為電動(dòng)汽車的動(dòng)力源，單體鋰離子電池額定電壓一般為3.2 V，為滿足電壓和容量的需求，在使用過(guò)程中往往由上百節(jié)單體電池串并聯(lián)而成組。由于鋰離子電池在生產(chǎn)以及使用過(guò)程中產(chǎn)生的不一致性，在串并聯(lián)成組后，其不一致性最終導(dǎo)致電量的參差不一。如果這種差異得不到及時(shí)的平衡和抑制，不一致性就會(huì)隨著電池的充放電循環(huán)而不斷加劇，甚至導(dǎo)致電池的過(guò)充或過(guò)放，最終會(huì)影響整個(gè)電池組乃至用電系統(tǒng)的效率和壽命[1]。

均衡技術(shù)就是利用電子技術(shù)，通過(guò)搭建均衡控制電路，配合均衡策略來(lái)實(shí)現(xiàn)電量的遷移或耗散，以達(dá)到電池間電量的統(tǒng)一。常見的均衡方式可分為能量耗散型和能量非耗散型兩種[2]。能耗型均衡采用耗能方式，通過(guò)在單體電池兩端并聯(lián)一個(gè)功率電阻和一個(gè)開關(guān)進(jìn)行分流，將電池組中電量較高的單體電池多余的能量釋放，從而實(shí)現(xiàn)電池組均衡[3]。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，但由于要損失能量，所以一般使用在小功率場(chǎng)合[4]。非能耗型均衡是指利用中間儲(chǔ)能元件和一系列的開關(guān)元件，將電池組中荷電狀態(tài)較高的電池的能量轉(zhuǎn)移到荷電狀態(tài)較低的電池中去，以達(dá)到均衡目的[5]。這種方式不但均衡效率高，而且節(jié)約能源，不產(chǎn)生熱負(fù)擔(dān)，是目前研究的熱點(diǎn)。

本文采用基于電感的非能耗型均衡控制拓?fù)潆娐?，結(jié)合Stateflow技術(shù)，完成了在MATLAB中對(duì)該系統(tǒng)的充、放電均衡仿真，對(duì)均衡效果進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，同時(shí)將該均衡系統(tǒng)與實(shí)際應(yīng)用中最為常見的電阻均衡系統(tǒng)做一個(gè)對(duì)比仿真測(cè)試，結(jié)果表明，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)電池間能量的均衡，而且效率高、速度快，比傳統(tǒng)方式有很大提高。

1 均衡原理分析

1.1 均衡電路

電感型均衡的基本原理是以電感作為儲(chǔ)能元件，將電池組中電量較高的單體電池中的電量轉(zhuǎn)移到電量較低的電池上，通過(guò)控制開關(guān)管通斷來(lái)切換電流通斷，使電感不斷充放電，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，其中開關(guān)管的導(dǎo)通次序由均衡策略決定。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電感型均衡控制電路

1.2 均衡策略

現(xiàn)有的動(dòng)力電池均衡技術(shù)大多數(shù)基于外電壓均衡，但基于電池外電壓均衡并沒有抓住電池組一致性問(wèn)題產(chǎn)生的內(nèi)部本質(zhì)因素，也沒有有效地提高電池組的可用容量[6]。蓄電池工作時(shí)端電壓的均衡并不意味著各電池的容量是相同的，各單體電池的荷電狀態(tài)(SOC)均衡才是需要控制的目標(biāo)[7]。因此本文采用SOC作為電池組一致性均衡判據(jù)。

由圖1可知，該均衡電路主要由電感、開關(guān)管、二極管組成。均衡過(guò)程以B1、B2兩節(jié)電池為例，當(dāng)大于0.2%時(shí)，均衡開啟，脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)作用于開關(guān)管T3的門極上，T3將持續(xù)導(dǎo)通和關(guān)斷。導(dǎo)通時(shí)，電池B2對(duì)電感L1進(jìn)行充電；關(guān)斷時(shí)，L1中的電流方向保持不變，將通過(guò)二極管D1對(duì)B1充電。該過(guò)程一直持續(xù)到二者SOC差值小于0.2%，如此實(shí)現(xiàn)了能量在電池間的轉(zhuǎn)移，過(guò)程如圖2、圖3所示。

圖2 T3導(dǎo)通時(shí)

圖3 T3關(guān)斷時(shí)

2 系統(tǒng)仿真

2.1 仿真模型

根據(jù)上述對(duì)均衡控制電路結(jié)構(gòu)與策略的分析，本文在MATLAB/Simulik中搭建了該電路的仿真模型，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真模型

圖4為放電均衡模型，充電均衡時(shí)只需把恒流源改為5 A，以及更改電池初始SOC值。該模型包括1個(gè)控制模塊、3個(gè)執(zhí)行模塊、4個(gè)電池模型和1個(gè)恒流源。

(1)控制模塊的作用是采集并比較電池組中相鄰兩節(jié)單體電池的SOC大小，若SOC差值達(dá)到均衡條件，開啟均衡將脈沖信號(hào)加在開關(guān)管上，啟動(dòng)均衡過(guò)程；

(2)執(zhí)行模塊包括開關(guān)管、恒流源、電感、二極管，開關(guān)管頻率設(shè)為50 kHz，占空比50%，電感值1 mH；

(3)本文采用力神LP2770102AB型鋰離子電池作為實(shí)物樣本，電池模型選擇鋰離子電池(lithium-ion)，設(shè)定公稱電壓為3.2 V，額定容量為11.5 Ah。放電均衡用到的四節(jié)電池初始SOC分別為92%、90%、89%、93%，充電均衡時(shí)初始SOC分別為58%、60%、63%、59%；

(4)充、放電均衡用恒流源進(jìn)行5 A的恒流充、放電過(guò)程。整個(gè)仿真過(guò)程歷時(shí)60 s，模擬電池組在充、放電過(guò)程中的均衡效果。

為了更進(jìn)一步地明確該均衡系統(tǒng)的有效性和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，我們將該均衡系統(tǒng)與實(shí)際應(yīng)用中最為常見的電阻均衡系統(tǒng)做一個(gè)對(duì)比仿真測(cè)試，它的仿真模型如圖5所示。

圖5 電阻均衡仿真模型

該均衡的控制策略選擇平均值法，首先求取當(dāng)前電池組SOC的平均值，當(dāng)單體電池的SOC值大于平均值0.2%時(shí)，開啟均衡，當(dāng)小于0.2%時(shí)停止。

2.2 Stateflow設(shè)計(jì)

在當(dāng)前控制領(lǐng)域中，使用基于MATLAB平臺(tái)的Simulink/ Stateflow組態(tài)仿真開發(fā)環(huán)境進(jìn)行系統(tǒng)建模仿真已成為主流。Simulink提供了面向方框圖的開發(fā)環(huán)境來(lái)完成動(dòng)態(tài)系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)和仿真，而Stateflow使用流程圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來(lái)開發(fā)基于層次狀態(tài)機(jī)的事件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)[8]。

本文利用Stateflow完成均衡的控制，通過(guò)圖形化工具實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)中包含9種狀態(tài)，分別為6個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的產(chǎn)生與停止；遷移條件為|SOC差值|＞0.2%時(shí)開啟均衡，|SOC差值|＜0.2%時(shí)停止。若滿足遷移條件，系統(tǒng)進(jìn)入相應(yīng)的狀態(tài)。通過(guò)Stateflow技術(shù)，仿真中可直接觀察到狀態(tài)的改變既整個(gè)均衡控制的過(guò)程，如圖6所示。

圖6 基于Stateflow的均衡控制圖

3 仿真結(jié)果分析

圖7和圖8為采用本文所設(shè)計(jì)均衡系統(tǒng)時(shí)，電池組充、放電過(guò)程中電池SOC變化曲線圖，圖9和圖10為采用電阻均衡時(shí)SOC變化曲線圖，兩系統(tǒng)選擇的均衡啟停條件相同，從中可見，采用本文所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)時(shí)，在電池組充、放電的過(guò)程中，單體電池在均衡回路的作用下，SOC逐漸趨于一致，放電時(shí)在48 s左右，單體電池SOC曲線先后呈線性，說(shuō)明了相鄰電池SOC差值已小于0.2%，均衡停止，而電阻均衡在相同時(shí)間內(nèi)，并不能很好地完成電池組均衡，同時(shí)，為了避免電池組能量過(guò)度損耗，均衡不能頻繁開啟，實(shí)際應(yīng)用中，均衡啟停條件需要設(shè)置得偏大，不能很好地完成均衡。

通過(guò)圖7～圖10可見，該均衡電路和均衡策略在仿真模式下能有效解決電池間電量的不均衡問(wèn)題，且誤差滿足設(shè)計(jì)要求，明顯好于電阻均衡系統(tǒng)。

Research of power battery active balancing control based on Stateflow

The balancing control of power battery was a key technology for BMS,which ensured the working life and discharging capacity of the batteries in electric vehicles.An active two-way balancing control circuit with inductors was adopted,and the simulation in MATLAB was completed by using the Stateflow.The results show that circuit is able to realize the balancing between different electric quantity of batteries rapidly.

power battery;balance control;Stateflow;MATLAB

TM912

A

1002-087X(2016)12-2444-02

2015-05-03

趙鋼(1962—)，男，天津市人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮討?yīng)用及計(jì)算機(jī)控制等。