王 津, 王文斌

(1.西交利物浦大學(xué) 智能工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215028； 2.溫州德力西集團(tuán)有限公司，浙江 溫州 325604)

0 引 言

目前，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，世界各國(guó)對(duì)能源與環(huán)境危機(jī)的關(guān)注日益增多。因此，在能源緊缺以及環(huán)境污染的雙重壓力下，世界各國(guó)都在積極進(jìn)行新能源技術(shù)的研究開發(fā)。電池作為目前最流行的儲(chǔ)能裝置之一，可以儲(chǔ)存由風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能等可再生能源產(chǎn)生的電能，從而避免由于新能源發(fā)電的不確定性和間歇性產(chǎn)生的電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定和電能浪費(fèi)問題[1]。在綠色能源的應(yīng)用中，鋰電池以其高能量比、無記憶效應(yīng)、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用[2-3]。目前，電池應(yīng)用得比較廣泛的領(lǐng)域是電動(dòng)汽車領(lǐng)域。電動(dòng)汽車搭載的電池包由若干單體電池組成，但是在實(shí)際的制造和使用過程中，各單體電池由于內(nèi)部電阻、溫度等特性的不同，極易出現(xiàn)電池間不均衡現(xiàn)象，影響電動(dòng)汽車的續(xù)航能力[4-6]。

電池均衡主要分為主動(dòng)均衡和被動(dòng)均衡兩種[7]。被動(dòng)均衡是能量耗散型均衡方法，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，能量耗散型均衡方法正被逐步淘汰。各類基于高頻開關(guān)電源技術(shù)的有源均衡電路在提高均衡能力的同時(shí)，又簡(jiǎn)化了電路的均衡成本，逐漸成為國(guó)內(nèi)外專家研究的重心。

文獻(xiàn)[8]針對(duì)傳統(tǒng)集中式電池均衡體積大、不易擴(kuò)展、電路元件多、成本高的問題，提出將Buck-Boost變換器與開關(guān)矩陣相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)電池均衡，并利用電感的時(shí)分復(fù)用有效地減少了電路的器件成本和體積大小，且電感電流處于斷續(xù)模式，有效地消除了單體電池間的交叉影響。文獻(xiàn)[9]針對(duì)鋰離子電池長(zhǎng)期串聯(lián)使用出現(xiàn)的不一致問題，提出了一種基于雙向反激變換器的新型低成本均衡電路，有效降低了電路的成本，并有良好的均衡效果。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于DC/DC變換器拓?fù)涞挠性措姾删饧夹g(shù)，該技術(shù)在電池組充電/放電以及空閑期間時(shí)，在電壓和電荷方面實(shí)現(xiàn)電池組中的電池單元均衡，使電池組操作的能量和可靠性最大化，并由電壓監(jiān)控電路控制的一組MOSFET開關(guān)管將電荷從最高電壓的單體電池轉(zhuǎn)移到較弱的單體電池中去，以確保每個(gè)電池具有相同的輸出電壓。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于Buck-Boost變換器的有源平衡電路來處理電池組的不平衡狀態(tài)，該電路利用低頻雙向開關(guān)來控制電感的狀態(tài)(連接、斷開和短路狀態(tài))，通過控制電感的狀態(tài)，可以在相鄰單元或幾個(gè)相鄰單元之間構(gòu)建多種降壓-升壓變換器。文獻(xiàn)[12]提出了一種有源均衡電路和一種新穎的均衡策略來實(shí)現(xiàn)能量再分配，雙向拓?fù)溆烧ぷ儔浩骱烷_關(guān)矩陣組成，并利用聚類分析和遺傳算法來實(shí)現(xiàn)電池均衡，均衡后電池組容量提高了16.84%，均衡時(shí)間縮短了23.8%。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于傳統(tǒng)Buck-Boost電路的新型非耗散兩級(jí)均衡電路拓?fù)洌靡詫?shí)現(xiàn)高效率、低成本的串聯(lián)鋰離子電池組均衡。文獻(xiàn)[14]提出了一種基于單元化多繞組變壓器的均衡方法，正激變換器和反激變換器同時(shí)存在，前向轉(zhuǎn)換器用于均衡同一子單元中的電池單元，而回掃變換器用于不同子單元的均衡。

雖然以上研究均提出了電池能量雙向傳輸?shù)母拍睿侨鄙賹?duì)能量雙向傳輸力度的控制作用。本文將在上述研究的基礎(chǔ)上，提出將雙向變換器、開關(guān)選通矩陣、正負(fù)極開關(guān)選通矩陣和模糊控制理論相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)多電池的主動(dòng)均衡。

1 均衡電路總體結(jié)構(gòu)

本文提出的電池主動(dòng)均衡電路中每個(gè)單體電池包含開關(guān)陣列、正負(fù)極開關(guān)陣列、雙向DC/DC電路，總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，總體均衡電路原理圖如圖2所示。

電池模塊由7塊3.2 V、40 Ah的鋰電池組成；開關(guān)陣列由16個(gè)MOSFET選通開關(guān)管與4個(gè)MOSFET正負(fù)極開關(guān)管組成；雙向DC/DC的充/放電電路由4個(gè)N-MOSFET開關(guān)管組成；均衡電路由2個(gè)理想開關(guān)和2個(gè)MOSFET開關(guān)管組成。

1.1 開關(guān)陣列分析

選通開關(guān)陣列的主要作用是選通某一塊單體電池，選通充電或是放電的MOSFET開關(guān)管，從而實(shí)現(xiàn)單體電池的充放電操作，選通開關(guān)陣列狀態(tài)如圖3所示。

1.2 充/放電電路分析

DC/DC雙向變換器的拓?fù)淙鐖D4所示。該拓?fù)洳捎玫氖请p向正激變換器，左側(cè)U1表示單體電池電壓，右側(cè)U2表示1個(gè)42 V的直流電源。該電路拓?fù)渲饕?個(gè)變壓器T，2個(gè)采樣電阻R1、R2，1個(gè)保護(hù)電阻R3，2個(gè)濾波電容C1、C2，1個(gè)箝位電容C3，1個(gè)濾波電感L，4個(gè)MOSFET開關(guān)管S1、S2、S3、S4，2個(gè)理想開關(guān)BS1_1、BS2_1和2個(gè)對(duì)應(yīng)的充放電選通MOSFET開關(guān)管BS1_2、BS2_2組成。

當(dāng)該電路拓?fù)涮幱诔潆娔Ｊ綍r(shí)，理想開關(guān)BS2_1閉合，充電MOSFET開關(guān)管BS2_2閉合(根據(jù)均衡電流大小來決定占空比大小)，能量從高壓側(cè)傳向低壓側(cè)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖如圖5所示。

當(dāng)該電路拓?fù)涮幱诜烹娔Ｊ綍r(shí)，理想開關(guān)BS1_1閉合，放電MOSFET開關(guān)管BS1_2閉合(根據(jù)均衡電流大小來決定占空比大小)，能量從低壓側(cè)傳向高壓側(cè)的驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖如圖6所示。

2 均衡電路參數(shù)計(jì)算

2.1 變壓器參數(shù)

首先，變壓器輸入和輸出的關(guān)系如下所示：

(1)

式中：Uo為輸出電壓；n為匝數(shù)比；D為高壓側(cè)開關(guān)管占空比；Ui為輸入電壓。

2.2 繞組匝數(shù)

變壓器高壓側(cè)的匝數(shù)需要根據(jù)最小輸入電壓來進(jìn)行確定，如下所示：

(2)

式中：Ui(min)為輸入電壓最小值；D1max為高壓側(cè)開關(guān)管最大占空比；fs為開關(guān)頻率；ΔB為磁通變化量；Ae為磁芯有效截面積。

本文Ui(min)取±20%的誤差，D1max取0.4，fs取250 kHz，ΔB取0.15 T，Ae取3.01×10-5，得出Np為11.56。

3 基于模糊控制的均衡電路

模糊控制理論的核心是建立語(yǔ)言分析的數(shù)學(xué)模型，將自然語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)語(yǔ)言[15]。模糊控制的過程主要分為4步：模糊化、設(shè)置規(guī)則表、模糊推理和解模糊。

將模糊控制算法用于均衡電路主要是為了對(duì)均衡電流的大小進(jìn)行控制，避免大電流對(duì)電池造成傷害、引發(fā)危險(xiǎn)事故。本文采用的模糊控制器是兩輸入、單輸出的形式，將平均荷電狀態(tài)(SOC)值(電化學(xué)儲(chǔ)能過程中儲(chǔ)能介質(zhì)中實(shí)際存在的電荷數(shù)占額定儲(chǔ)能容量對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能介質(zhì)中含有的電荷數(shù)的百分率)作為輸入量E，將差值SOC值作為輸入量EC，均衡電流Ieq作為輸出量U。電池SOC的安時(shí)積分計(jì)算公式如下所示：

(3)

式中：I為電流；Q為額定容量。

(4)

(5)

式中：n為單體電池的數(shù)目；SOCi為第i個(gè)單體電池的電荷量。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，選擇三角形的隸屬度函數(shù)，隸屬度的計(jì)算公式如下所示：

(6)

首先設(shè)置E的特征點(diǎn)論域?yàn)閧0，0.25，0.50，0.75，1.00}，設(shè)置EC值的特征點(diǎn)論域?yàn)閧-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}，設(shè)置U的特征點(diǎn)論域?yàn)閧-5.0，-3.5，-1.5，0，1.5，3.5，5.0}。E、EC、U三者的隸屬度函數(shù)如圖7～圖9所示。

模糊控制的規(guī)則如表1所示，表中的規(guī)則使用的是“if 平均SOC……and差值SOC……thenIeq……”的條件語(yǔ)句，每個(gè)值都代表一條條件語(yǔ)句。

表1 均衡電流Ieq模糊控制規(guī)則表

根據(jù)模糊控制規(guī)則表可以得出不同平均SOC和差值SOC下的均衡電流大小，當(dāng)均衡電流輸出的電流大小為正時(shí)，需要為對(duì)應(yīng)的單體電池充電；若電流大小為負(fù)時(shí)，需要為對(duì)應(yīng)的單體電池放電。圖10所示為該模糊控制系統(tǒng)的三維坐標(biāo)圖。

如圖10所示，當(dāng)給定輸入量E為0.5、EC為0.3時(shí)，輸出量U的大小為4.53 A。

4 仿真與結(jié)果分析

在進(jìn)行仿真之前，設(shè)定好開關(guān)陣列選通和充/放電脈沖的選通規(guī)則。開關(guān)陣列選通的代碼編寫規(guī)則：第一步，利用“if”語(yǔ)句判斷此時(shí)哪一塊單體電池的差值SOC最大，進(jìn)而對(duì)該塊電池進(jìn)行相應(yīng)的充/放電操作；第二步，根據(jù)單體電池選通對(duì)應(yīng)的正負(fù)極開關(guān)管進(jìn)行相應(yīng)的充/放電操作。充/放電脈沖的代碼編寫規(guī)則：利用“if”語(yǔ)句判斷此時(shí)均衡電流的正負(fù)極性，從而進(jìn)行相應(yīng)的充/放電操作(正為充電，負(fù)為放電)。均衡電路的代碼編寫規(guī)則：將均衡電流的絕對(duì)值分為幾個(gè)區(qū)間，均衡電流的絕對(duì)值大，就執(zhí)行最大占空比，以最大可能進(jìn)行充/放電操作；反之，執(zhí)行最小占空比。

接下來，本文主要基于MATLAB/Simulink平臺(tái)進(jìn)行仿真研究，首先進(jìn)行未優(yōu)化電路的仿真(未進(jìn)行變壓器參數(shù)優(yōu)化和模糊控制算法優(yōu)化)，設(shè)定7塊單體電池的SOC分別為61%、59%、58%、57%、56%、55%、52%，單體電池的詳細(xì)參數(shù)如表2所示，仿真結(jié)果如圖11所示。

表2 單體電池的詳細(xì)參數(shù)

進(jìn)行第一組仿真，設(shè)定7塊單體電池的SOC分別為61%、59%、58%、57%、56%、55%、52%，仿真結(jié)果如圖12所示。

如圖11和12所示，截取仿真時(shí)間為600 s時(shí)的電池SOC進(jìn)行對(duì)比分析，此時(shí)，未優(yōu)化的電池電路中，第7塊單體電池的SOC約為52.25%，而經(jīng)過優(yōu)化的電池電路中，第7塊單體電池的SOC約為52.70%，從波形圖以及數(shù)據(jù)對(duì)比中可以明顯看出經(jīng)過優(yōu)化后的電池主動(dòng)均衡電路的優(yōu)越性，隨著時(shí)間的推移，均衡效果也在逐漸加強(qiáng)。

然后，進(jìn)行第二組仿真，設(shè)定7塊單體電池的SOC分別為58%、57%、60%、55%、54%、51%、53%，仿真結(jié)果如圖13所示。由仿真結(jié)果可以看出，本文的電池均衡電路會(huì)優(yōu)先執(zhí)行差值SOC最大的單體電池，但是隨著差值SOC最大的單體電池的電荷量接近差值SOC排第二的單體電池，兩者會(huì)交替進(jìn)行充/放電操作，逐漸趨近于平均SOC，越來越多的單體電池會(huì)加入交替進(jìn)行充/放電的操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多電池的主動(dòng)均衡。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前耗散型電池均衡方法的問題和電池使用過程中存在差異性的問題，提出一種雙向DC/DC均衡電路并結(jié)合模糊控制理論來控制均衡電流大小。本文以SOC為判斷依據(jù)，采用均值-差值法進(jìn)行均衡，可以同時(shí)均衡多個(gè)單體電池，可控性強(qiáng)。根據(jù)仿真結(jié)果，本文提出的DC/DC雙向主動(dòng)均衡電路和模糊控制理論結(jié)合的均衡策略可以快速改善電池組的不一致性問題，均衡時(shí)間較快，對(duì)電池均衡起到了積極作用。