張香林，吳曙東，李耐根

(新余學(xué)院，江西 新余 338004)

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)鋰電池工作實際情況，我們通過實驗數(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lookup table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。

圖1 二階RC電路模型

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4.2 V，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，同時第二節(jié)電池放電。

圖2 被動型均衡電路

這種均衡系統(tǒng)是被動型，電路容易發(fā)熱，均衡時間長，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際情況，因此容易出現(xiàn)電池“表面均衡”而實際并不均衡的問題。

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)充電時間長，而且還具有“表面均衡”的缺點，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際工作狀況，因此我們設(shè)計了以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。

圖3 主動型均衡控制仿真系統(tǒng)

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，可以在電池任何時間段、任何電池間均衡，便于實施均衡控制策略，節(jié)約均衡時間。

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施主動均衡、分組控制策略，仿真運行結(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，其SOC值隨時間變化的情況，SOC值相近的兩節(jié)電池先均衡(電池1和電池2在未充滿時就主動均衡；電池3和電池4也在未充滿時就主動均衡)，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)果可知實施分組主動均衡策略的4節(jié)電池充滿所花時間為9 386 s。

圖4 串聯(lián)電池主動均衡分組控制策略仿真結(jié)果

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，仿真運行結(jié)果如圖5所示。

圖5 串聯(lián)電池被動均衡仿真結(jié)果

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其SOC值隨時間變化的情況，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13 715 s。

2.5 結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可知，實施主動均衡分組控制策略的4節(jié)電池充滿所花時間為9 386 s；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間為13 715 s。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))所需時間比常用的被動均衡策略減少4 329 s，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)電壓差而不時存在循環(huán)電流。

由于電池內(nèi)阻只有毫歐級別，1 V的電壓差就可以產(chǎn)生10 A以上的循環(huán)電流。為此，我們設(shè)計了一種采用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)。

圖6 并聯(lián)有序放電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

雖然MOSFET管可以雙向?qū)ǎ峭ㄟ^控制策略可以實現(xiàn)單向?qū)?。以圖6為例，并聯(lián)電池組對外供電時，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

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。