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        基于K-means聚類算法的鋰電池冗余均衡控制

        2022-07-02 05:34:46詹鑫斐俞智坤陳斌藝
        電源技術(shù) 2022年6期
        關(guān)鍵詞:極差電池組鋰電池

        黃 靖,詹鑫斐,俞智坤,熊 巍,陳斌藝,3

        (1.福建工程學(xué)院電子電氣與物理學(xué)院,福建福州 350118;2.工業(yè)自動化福建省高校工程研究中心,福建福州 350118;3.電子信息與電氣技術(shù)國家實驗示范中心,福建福州 350118)

        近年來,動力電池由于在生產(chǎn)制造中存在工藝差異導(dǎo)致鋰電池存在不一致,電池的不一致性會進(jìn)一步影響電池壽命。因此,需要電池均衡電路對串聯(lián)電池組均衡;在保證均衡可靠的前提下,實現(xiàn)電池組的快速均衡和減少均衡的開關(guān)次數(shù)是目前電池領(lǐng)域的主要研究方向之一。

        現(xiàn)有的均衡方式主要為主動均衡、被動均衡以及冗余均衡等。主動均衡控制以Buck-Boost 均衡、反激式均衡、帶DCDC 的均衡和電容均衡最為常見。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于Buck-Boost 電路的新型均衡電路,根據(jù)荷電狀態(tài)(SOC)來控制均衡,實現(xiàn)了鋰離子串聯(lián)電池組充放電均衡和電池組充放電容量的提高。在此基礎(chǔ)上,文獻(xiàn)[2]提出了一種結(jié)合Buck-Boost 均衡電路和Flyback 均衡電路的主動均衡電路,并基于電壓和SOC雙變量的均衡控制策略,減少了均衡時間,提高了均衡效率。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于反激變換器的均衡拓?fù)?,同時采用雙目標(biāo)直接均衡控制策略,將充電過程和放電過程的均衡合二為一,同時實現(xiàn)充放電過程最高端電壓的降低和最低端電壓的升高。被動均衡以其設(shè)計簡單和低成本特性成為現(xiàn)代工業(yè)中最受歡迎的形式[4]。被動均衡結(jié)構(gòu)通過使電壓高的單元消耗能量來平衡電池組內(nèi)各個單元間容量差,這種方式控制邏輯簡單、成本低,但是存在能量損耗大的問題[5-7]。

        除了主動均衡和被動均衡,常見的均衡電路結(jié)構(gòu)還有冗余均衡。文獻(xiàn)[8]提出了一種具備冗余單元的高效電池管理系統(tǒng)策略,從冗余數(shù)量、切換時間、能量差、電池初始容量等角度實驗,通過等能量均衡控制,提高了電池組放電效率和使用壽命。上述均衡方式在均衡時間和能量轉(zhuǎn)換率上有明顯提高,但主動均衡必然存在自放電損失和能量轉(zhuǎn)移損耗,冗余均衡則不存在能量轉(zhuǎn)移損失,但傳統(tǒng)的等能量控制依靠提高切換頻率,提高電池組放電均衡效果,但是頻率太高會產(chǎn)生諧波和增加開關(guān)損耗。

        本文基于鋰電池冗余均衡電路,以各個電池單元的荷電狀態(tài)一致為目標(biāo),采用K-means 聚類算法的鋰電池組冗余均衡控制方法對電池組的開關(guān)進(jìn)行控制。此方法結(jié)合K-means聚類算法,得出電池組均衡過程中各個電池單元的類別,將每個單體電池的放電過程分解,多次切換開關(guān)組合實現(xiàn)均衡。分別對傳統(tǒng)等能量冗余均衡控制和K-means 聚類控制兩種方法分組實驗并進(jìn)行對比,驗證了K-means 聚類算法均衡控制的可行性。

        1 均衡電路設(shè)計

        1.1 均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        電池均衡系統(tǒng)是一種能量管理系統(tǒng),其目的是減小電池組內(nèi)各電池單體間的能量差異,從而提高電池組的一致性。本文的均衡控制系統(tǒng)如圖1 所示,冗余均衡系統(tǒng)主要由電池組、開關(guān)管控制單元、電源單元、單片機(jī)、RS485 通訊單元、上位機(jī)以及AD 采樣單元組成。通過系統(tǒng)電池組和電源單元分別產(chǎn)生開關(guān)管驅(qū)動電壓和各個芯片的電源電壓,通過AD 采樣單元將采集到的數(shù)據(jù)處理計算,反饋給單片機(jī),經(jīng)單片機(jī)估算得出電池模塊的SOC;根據(jù)單片機(jī)內(nèi)的估算SOC和內(nèi)置算法實現(xiàn)對串聯(lián)的電池組接入接出控制,當(dāng)電池組達(dá)到預(yù)設(shè)均衡效果停止開關(guān)切換;最后,由RS485 通訊模塊完成單片機(jī)和上位機(jī)的通訊,通過通訊軟件PuTTY 將實時數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)上并記錄。

        圖1 均衡控制系統(tǒng)

        1.2 均衡原理

        本文研究的對象為冗余均衡鋰電池組,均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示,電池組由6 個電池單元串聯(lián)組合而成,其中每個電池單元由三串電池組成,18 個單體電池B1~B18 串聯(lián),每兩個開關(guān)并聯(lián)在一個鋰電池單元兩端。結(jié)構(gòu)上,第1~6 個電池單元依次連接,每個單體電池兩端并聯(lián)一個被動均衡電路,第i個電池單元的正極端和負(fù)極端分別連接開關(guān)管Qi2 的d 端和Qi1 的s 端,第2~6 個單元的開關(guān)管Qi2 的s 端和Qi1 的d 端、Q(i+1)1 的s 端相連接;系統(tǒng)的地為電池B1 的負(fù)極端。

        圖2 鋰電池冗余均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        均衡原理:通過控制開關(guān)的通斷,將電池單元導(dǎo)通或者旁路,其中Qi1 開關(guān)導(dǎo)通,Qi2 開關(guān)截止,第i個單元的電池被導(dǎo)通,使其接入負(fù)載兩端參與充放電,并且Qi2 和Qi1 開關(guān)不能同時導(dǎo)通,同時導(dǎo)通會造成電池單元短路;均衡控制主要通過單片機(jī)計算放電量,當(dāng)釋放一定電量,允許開關(guān)切換;當(dāng)達(dá)到均衡要求時,停止開關(guān)切換,所有電池單元接入,參與放電。同時,每個單節(jié)電池兩端并聯(lián)一個被動均衡電路,電池單元的電壓高于4.2 V 時開啟被動均衡。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單,控制方便,電路穩(wěn)定性良好,電路結(jié)構(gòu)靈活。

        2 基于聚類算法的冗余均衡策略

        2.1 K-means 聚類算法原理

        K-means 聚類算法的輸入為一個樣本集,通過算法將樣本聚類,具有相似特征的樣本聚為一類,操作簡單、運算速度較快,能夠有效處理中小型數(shù)據(jù)集。聚類原理:針對鋰電池冗余均衡電路,K-means 聚類算法對n個電池單元的SOC進(jìn)行聚類,i為鋰電池冗余均衡過程中根據(jù)需要劃分的種類個數(shù),分為SOC高的一類和SOC低的一類;對距離最近的對象進(jìn)行歸類。根據(jù)上述原理設(shè)計K-means 聚類流程,如圖3 所示。算法具體步驟為:

        圖3 K-means聚類流程圖

        (1)初始化樣本,根據(jù)式(1),將n個電池單元的SOC按大小排序,將SOC最大的數(shù)據(jù)定義為類1 的中心μ1,將SOC最小的數(shù)據(jù)定義為類2 的中心μ2,SOC計算方法采用安時積分法,如式(2)所示,先根據(jù)鋰電池特性SOC-OCV曲線查表得到初始荷電狀態(tài)SOC0,根據(jù)采樣的輸出端電流,對時間求積分并除以電池額定容量C得到電池單元的實時荷電狀態(tài)SOCn;

        (2)計算所有電池單元的荷電狀態(tài)SOCn和μ1、μ2的距離Jni,根據(jù)式(3)計算類1 和類2 內(nèi)各點到μ1、μ2的距離平方和,再根據(jù)式(4)判斷各個點SOC與類一和類二中心點的關(guān)系rni,其中j=1,2,i≠j;

        (3)分類完成,將μ1、μ2刷新,根據(jù)式(5)對同一類電池的SOC求算數(shù)平均值,得到新聚類中心

        (4)終止條件判斷,當(dāng)各個電池單元的類別關(guān)系rni不再發(fā)生變化,停止迭代并輸出各個電池單元所屬的類別。

        2.2 均衡控制實現(xiàn)步驟

        等能量冗余均衡是傳統(tǒng)的均衡控制策略,對于n個電池的系統(tǒng),根據(jù)電池電量大小判斷冗余組合,選擇m個電池參與放電(n>m);一般采取恒定冗余度n-m,每釋放一定電量,切換一次開關(guān)組合,當(dāng)電池組的電量極差小于閾值,則停止開關(guān)切換,均衡結(jié)束。圖4 為均衡控制實現(xiàn)流程,根據(jù)鋰電池冗余均衡的初始SOC不一致情況,采用K-means 聚類算法進(jìn)行重組配對,選取6 個鋰電池冗余均衡單元,數(shù)據(jù)為每個電池單元的SOC值;類別設(shè)置為2,結(jié)合等能量均衡控制對聚類算法得到的結(jié)果,對電池單元充放電,當(dāng)單片機(jī)計算判斷釋放θ電量,允許一次開關(guān)切換。具體的均衡算法步驟如下:

        圖4 冗余均衡的K-means算法流程圖

        步驟一,確定初始條件,鋰電池的SOC是反映鋰電池組電量多少的主要因素,為了提高均衡速度,選取6 個電池單元的SOC為聚類數(shù)據(jù),每個電池單元的SOC數(shù)值隨著開關(guān)切換和充放電過程變化,以SOC極差為均衡判據(jù),式(6)為SOC極差定義;

        步驟二,開啟均衡控制,充放電采用等能量控制,當(dāng)系統(tǒng)放出θ 電量,允許開關(guān)切換狀態(tài),根據(jù)K-means 聚類算法得出的類別,分別給各個電池單元驅(qū)動信號、關(guān)斷信號,放電時,μ1類的電池單元先打開開關(guān),使得電池單元接入并開始放電,μ2類別的開關(guān)關(guān)閉,高SOC的電池單元先進(jìn)行放電,充電時,μ2類的電池單元先打開開關(guān)接入并開始充電,μ1類別的開關(guān)關(guān)閉,高SOC的電池單元先進(jìn)行充電;

        步驟三,閾值判斷,每完成一次等能量均衡控制,計算實時的SOC極差、單體電池電壓,當(dāng)SOC極差小于設(shè)定閾值時,終止開關(guān)切換,并將6 個單元電池全部接入,使得全部電池單元參與放電并不再參與開關(guān)切換,當(dāng)電池單體電壓小于設(shè)定閾值時,終止開關(guān)切換并將所有電池單元全部旁路,使得全部單元停止參與充放電,當(dāng)電池單元電壓大于閾值時,高電壓的單體電池開始被動均衡放電;

        步驟四,結(jié)束條件判別,放電模式時,當(dāng)電池單元中電量最小的電池電量小于0 時,停止所有電池放電;充電模式時,當(dāng)電池單元中所有電池SOC大于99%時,停止所有電池充電。

        3 實驗結(jié)果分析

        3.1 實驗設(shè)計

        圖5 為本文實驗裝置圖,實驗平臺由電子負(fù)載、電源板、18 串鋰電池組、控制芯片為M031SD2AE 的主電路板和上位機(jī)組成。均衡實驗對象為18 節(jié)額定容量為2 200 mAh 的三洋公司18650 單體電池,電池單體滿電量電壓為4.2 V,下限電壓為3 V。實驗采取2.2 A 放電工況,每三串電池為一個電池單元,電池單元1~6 的初始SOC分為離散和非離散兩種情況,定義初始電池非離散狀態(tài)B1~B6 的SOC分別為82%、83%、85%、80%、86%、88%;電池離散狀態(tài)B1~B6 的SOC分別為72%、83%、75%、80%、86%、88%;實驗按均衡程度分為5%極差和0.5%極差兩種;定義5%極差、非離散,5%極差、離散,0.5%極差、非離散和0.5%極差、離散為工況一~四。

        圖5 實物裝置圖

        在四種工況下,分別使用傳統(tǒng)的等能量控制算法和本文提出的K-means 聚類均衡策略在實驗平臺上進(jìn)行均衡,共八組實驗。圖6~9 為等能量冗余均衡在四種工況下的波形圖,圖10~圖13 為K-means 聚類均衡控制在四種工況下的波形圖。以圖6 為例,B1~B6 分別為6 個電池單元的放電曲線,可以看出在200 s 時,所有電池單元均接入?yún)⑴c放電,標(biāo)志均衡完畢,開關(guān)次數(shù)最多的是B4,共4 次,定為綜合的最大開關(guān)次數(shù)。

        圖6 非離散、5%設(shè)定極差等能量均衡

        具體實驗步驟為:(1)將單體電池拆下,每節(jié)電池單獨以1C充電,電池電壓達(dá)到4.2 V 則停止充電;(2)電池靜置1 h;(3)對單體電池標(biāo)號并分別放電到實驗預(yù)設(shè)SOC對應(yīng)的電壓,停止放電并靜置1 h;(4)將電池裝回電路板上,在電子負(fù)載設(shè)置恒流2.2 A 放電;(5)在MCU 內(nèi)設(shè)置程序為K-means 均衡算法,通過PuTTY 軟件和電腦實時通訊,記錄均衡過程1~6 個電池單元的SOC、開關(guān)狀態(tài)和均衡時間;(6)當(dāng)PuTTY 顯示沒有開關(guān)再進(jìn)行切換,判斷均衡過程完成,接入全部電池單元參與放電,不再切換開關(guān)狀態(tài);(7)統(tǒng)計均衡過程各個時間段的6 個電池單元的SOC、總開關(guān)切換次數(shù)和均衡結(jié)束時間;(8)同步驟1~7,完成等能量均衡的實驗,取冗余個數(shù)為1。

        3.2 實驗結(jié)果與分析

        圖6 和圖10 為非離散、極差5%時實驗圖形,前者通過4次切換開關(guān)組合在200 s 完成均衡,均衡過程始終為一個電池單元冗余,后者通過切換4 次開關(guān)組合在140 s 完成均衡,均衡過程冗余個數(shù)均為3;圖7、11 為在離散、極差5%時實驗圖形,前者通過27 次切換開關(guān)組合在725 s 完成均衡,均衡過程始終為一個電池單元冗余,后者通過16 次切換開關(guān)組合在425 s 完成均衡,均衡過程冗余個數(shù)在4、3 和2 之間切換,最少的時候2 個電池單元參與放電;圖8、12 為非離散、極差0.5%時實驗圖形,前者通過22 次切換開關(guān)組合在725 s 完成均衡,均衡過程始終為一個電池單元冗余,后者通過10 次切換開關(guān)組合在307.5 s 完成均衡,均衡過程冗余個數(shù)始終為3;圖9、13為離散、極差為0.5%時實驗圖形,前者通過33 次切換開關(guān)組合在1 400 s 后完成均衡,均衡過程始終為一個電池單元冗余,后者通過20 次切換開關(guān)組合在600 s 完成均衡,均衡過程冗余個數(shù)在4、3、2 之間切換,在450 s 后始終保持冗余個數(shù)為3,最終達(dá)到均衡。

        圖7 離散、5%設(shè)定極差等能量均衡

        圖8 非離散、0.5%設(shè)定極差等能量均衡

        圖9 離散、0.5%設(shè)定極差等能量均衡

        圖10 非離散、5%設(shè)定極差K-means聚類均衡

        圖11 離散、5%設(shè)定極差K-means聚類均衡

        圖12 非離散、0.5%設(shè)定極差K-means聚類均衡

        圖13 離散、0.5%設(shè)定極差K-means聚類均衡

        表1 總結(jié)了上述兩種均衡策略的實驗,對比等能量冗余均衡和K-means 聚類均衡在不同條件下的均衡時間和開關(guān)次數(shù)。本文采用的算法在工況一條件下,均衡時間縮短30%,開關(guān)次數(shù)改善不明顯;在工況二~四情況下,均衡縮短時間和開關(guān)減少次數(shù)改進(jìn)效果顯著,均衡時間分別縮短41.4%、57.6%和57.1%,開關(guān)次數(shù)分別減少40.7%、54.5%和39.4%。從冗余個數(shù)上,等能量均衡控制始終保持一個電池冗余,離散情況下均衡效果較差;K-means 均衡控制可以根據(jù)離散度動態(tài)調(diào)整冗余電池的個數(shù)。總的來說,鋰電池冗余的Kmeans 聚類均衡在均衡時間和開關(guān)次數(shù)上是優(yōu)于等能量冗余均衡的。

        表1 均衡效果對比

        4 結(jié)論

        針對目前鋰電池冗余結(jié)構(gòu)均衡時間慢、開關(guān)次數(shù)多的問題,本文以K-means 聚類算法為基礎(chǔ),搭建鋰電池冗余均衡電路實驗平臺,提出了采用K-means 聚類算法的鋰電池冗余均衡控制策略。6 個電池單元在高離散、低極差設(shè)置、低離散和高極差設(shè)置四種工況下的實驗對比結(jié)果表明:本文提出的均衡策略具有良好的均衡效果,能在鋰電池電量較大離散情況下快速均衡,減少開關(guān)次數(shù),特別是在高離散度、低極差情況下均衡時間縮短57.1%,開關(guān)次數(shù)減少39.4%。

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