電動車電池均衡控制的建模與分析

　　電動汽車（ EV） 的電池組中， 單體電池的不一致性會降低電池組的使用水平， 影響EV 的性能。研究先進(jìn)的電池均衡控制技術(shù)， 以減輕單體電池在使用過程中出現(xiàn)的差異， 將能夠最大限度地發(fā)揮電池的效率、延長使用壽命、增加EV 的安全性。

　　本文作者研究的均衡理論和控制技術(shù)， 并不能夠解決電池由于制造工藝而導(dǎo)致的性能差異， 生產(chǎn)工藝和篩選標(biāo)準(zhǔn)是電池組在使用前一致性的決定因素。

　　1 智能均衡的控制模型

　　由于在電池組中有可能同時存在剩余能量低和高的電池，因此高性能的均衡管理系統(tǒng)要具備充放電均衡功能， 還要有良好的充放電均衡匹配和控制策略， 以及放電能量的回收再利用控制。

　　基于上述考慮， 本文作者提出了用于EV 串聯(lián)電池組中單體電池之間能量均衡管理的能量閉環(huán)智能控制模型， 見圖1。

　　圖1 能量閉環(huán)智能控制模型的基本原理

　　圖1 中， I dis為用于均衡的放電電流； Udis為用于均衡的放電電壓； I chi為用于第i 只電池均衡的充電電流； Uchi為用于第i 只電池均衡的充電電壓。圖1表明了模型中能量的流動匹配原理。該模型為每個單體電池配備了一個獨立的充電單元， 所有充電單元的能量均由串聯(lián)電池組的放電能量轉(zhuǎn)換而來， 均衡能量在獨立于系統(tǒng)外界能量的閉合環(huán)路中流動。用于均衡的放電功率為Wdis ， 而用于均衡的充電功率為Wch， 如式（ 1） 、（ 2） 。

　　如果忽略能量在線路中流動的損失和能量轉(zhuǎn)換裝置的效率損失， 則用于均衡的放電功率等于充電功率。依據(jù)此原理建立的均衡能量平衡方程為：

　　在忽略電池充放電效率區(qū)別的前提下， 對于放電電流等于充電電流的單體電池， 放電能量將等于充電能量， 其能量將保持動態(tài)平衡； 對放電電流小于充電電流的單體電池， 放電能量將小于充電能量， 能量將會不斷增加， 放電電流越小， 能量增加的速度越快， 反之亦然。

　　在能量的流動過程中， 一方面， 通過整組電池的放電產(chǎn)生放電均衡的能量。在放電均衡過程中， 盡管所有電池的放電電流相同， 但是剩余能量高的電池由于電動勢高， 實際放出的能量也多， 即該電池的放電能量所占的比例就越高， 反之亦然。

　　另一方面， 整組電池的放出能量又經(jīng)過能量的轉(zhuǎn)換， 通過獨立的充電， 為能量低的電池補(bǔ)充能量。在充電均衡的過程中， 剩余能量低的電池由于電動勢低而使得充電電流大， 根據(jù)式（ 2） ，該電池得到的充電能量就越大， 即該電池的充電能量所占的比例就越高， 反之亦然。

　　如果所有單體電池采用的充放電均衡的線路和參數(shù)完全相同， 則均衡能量的分配和流動僅取決于單體電池的能量狀態(tài)。剩余能量越少， 該電池充進(jìn)的能量越多， 放出的能量越少，反之亦然。既不會出現(xiàn)所有電池能量都下降的現(xiàn)象， 也不會出現(xiàn)所有電池能量都上升的現(xiàn)象。一致性較好的電池， 剩余能量狀態(tài)始終動態(tài)保持較好的一致性； 一致性差的電池中， 剩余能量高的電池充電的能量小于放出的能量， 甚至充電的能量等于零， 結(jié)果是能量快速放出， 從而趨近于一致性較好的電池； 剩余能量低的電池充電的能量大于放出的能量， 結(jié)果是能量快速得到補(bǔ)充， 從而也趨近于一致性較好的電池。實際的均衡效果是放電能量從能量高的電池流向能量低的電池， 宏觀表現(xiàn)為電池組的能量在所有單體電池之間實現(xiàn)了均衡分布和調(diào)整。該模型能夠根據(jù)單體電池能量狀態(tài)的高低差別， 實現(xiàn)電池組能量自動的、比例的流動和分配， 能量均衡過程具有高度智能性。

　　2 智能均衡的控制策略

　　根據(jù)上述模型， 提出一種逆變分壓動態(tài)充放電均衡控制策略， 原理見圖2。

　　圖2 逆變分壓動態(tài)充放電均衡控制原理圖

　　電容C1、C2， 功率開關(guān)管（ IGBT） T1、T2 ， 多抽頭高頻變壓器T 構(gòu)成了一個標(biāo)準(zhǔn)的半橋式逆變拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)。串聯(lián)電池組與該逆變電路構(gòu)成放電回路， 高頻逆變電路的設(shè)計使均衡模塊的效率達(dá)到85%以上。根據(jù)單體電池的數(shù)目設(shè)計， T 有N 個副邊繞組， 每個副邊繞組和兩個快恢復(fù)二極管及一個電容構(gòu)成一路全波整流及濾波電路， 再與相對應(yīng)的單體電池構(gòu)成一路獨立的充電回路。逆變電路將電池組的高壓直流電逆變成低壓高頻交流電， 再經(jīng)過全波整流和濾波處理變換成低壓直流電， 為單體電池充電， 從而構(gòu)成能量單向流動的閉合環(huán)路。

　　在本文模型中， 所有充電單元的參數(shù)完全相同， 因此T 的所有副邊繞組在設(shè)計上完全相同， 充電電壓Ui~ Un 相等。根據(jù)半橋逆變電路的工作原理， 此充電電壓為：

　　Uch為單體電池的充電電壓； Ut 為電池組在均衡充放電狀態(tài)下的總電壓； 為逆變電路的占空比， 即功率開關(guān)T 1 或T2 的開通時間與開關(guān)周期的比值； N p 為高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)；N s 為高頻變壓器副邊繞組匝數(shù)。

　　式（ 4） 在理論上表明了均衡充放電狀態(tài)下的電池組總電壓與均衡充電電壓之間的關(guān)系。一方面， N 個相等的Uch實際上是Ut 的某個比例［ （ Ns / 2N p）×δ ］ 分壓； 另一方面， 在δ不變的條件下， 可以通過調(diào)整高頻變壓器原邊繞組的匝數(shù)調(diào)整匝比（ Ns / Np） 以控制充電電壓， 也可以在匝比（ N s/ N p） 不變的條件下， 通過控制δ 的大小， 控制Uch的大小。Uch越高， 充電電流就越大， 充電能量也就越大， 同時在電池組中接受充電均衡的電池就越多， 反之亦然。

　　根據(jù)電池監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)， 可實時掌握電池組的不一致態(tài)勢及變化趨勢， 及時確定需要接受充電均衡的電池數(shù)目和均衡充放電力度。利用高頻變壓器的匝比調(diào)節(jié)和占空比調(diào)節(jié)， 既可控制放電均衡的強(qiáng)度， 又可控制充電電壓的高低， 從而達(dá)到選擇電池組中接受充電均衡的電池單體和控制均衡強(qiáng)度， 實現(xiàn)動態(tài)均衡控制的目的。不同電池的充放電特性不同， 應(yīng)用本文的均衡策略， 還要依據(jù)充放電特性曲線確定合理的控制參數(shù)。

　　3 結(jié)論

　　本文作者提出了一種能量閉環(huán)智能充放電均衡控制模型。

　　能量均衡在電池組內(nèi)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)， 無需系統(tǒng)外部提供均衡能量， 在充放電和靜置狀態(tài)均可進(jìn)行， 并對均衡過程中的放電能量實現(xiàn)了高效率的回收再利用。尤其在易于造成EV 電池不一致程度迅速擴(kuò)大的大功率放電過程中， 對落后電池給予及時的能量補(bǔ)充， 一致性可始終保持在較高的水平； 提出了一種逆變分壓動態(tài)充放電均衡控制策略。通過基于逆變分壓的能量轉(zhuǎn)換裝置， 回收電池組自身的放電均衡能量， 并轉(zhuǎn)換成充電均衡能量， 從而構(gòu)成均衡能量的閉環(huán)單向流動環(huán)路。根據(jù)單體電池能量狀態(tài)的不同， 自動實現(xiàn)了單體電池之間能量的動態(tài)、比例流動分配。根據(jù)電池的分散程度動態(tài)、合理地選擇接受充電均衡的對象和調(diào)整均衡的強(qiáng)度， 通過調(diào)節(jié)高頻變壓器的匝比和功率開關(guān)的占空比， 實現(xiàn)接受充電均衡電池的數(shù)目和均衡強(qiáng)度的自動調(diào)節(jié)與控制， 智能調(diào)節(jié)每只電池的均衡充放電能量， 最終實現(xiàn)整組電池的均衡管理和控制。