邱斌斌，王智弘，李 程，吳鐵山

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，長(zhǎng)沙 410004）

引言

磷酸鐵鋰電池因其具有充放電電壓平穩(wěn)、環(huán)保、無(wú)記憶性等優(yōu)點(diǎn)，是電動(dòng)汽車動(dòng)力電源的最佳選擇之一[1]。由于其額定電壓平臺(tái)為3.2 V且單體電池輸出容量有限，使用過(guò)程中大多由多節(jié)單體電池先并聯(lián)成一模塊，再由并聯(lián)模塊串聯(lián)而成，以滿足儲(chǔ)存容量和電壓等級(jí)的需要[1-4]。

由于單體電池生產(chǎn)過(guò)程中性能參數(shù)的分散性，在電池組并、串聯(lián)使用過(guò)程中隨著充放電次數(shù)的增加，單體電池間的容量分散性會(huì)逐漸增大，從而導(dǎo)致動(dòng)力電池組性能下降和循環(huán)壽命縮短[5-10]。為此，需對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行均衡充電，達(dá)到降低單體電池不一致性的影響，改善動(dòng)力電池組性能，延長(zhǎng)電動(dòng)汽車?yán)m(xù)駛里程。

現(xiàn)有動(dòng)力電池均衡技術(shù)大多數(shù)基于外電壓均衡。文獻(xiàn)[2]指出基于電池外電壓均衡并沒(méi)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(méi)有有效的提高電池組的可用容量，其提出可利用容量和荷電狀態(tài)SOC（state of charge）作為電池組一致性均衡充電判據(jù)，同時(shí)指出基于容量均衡不適用于在線均衡方案；文獻(xiàn)[3]指出蓄電池工作時(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SOC均衡才是需要控制的目標(biāo)。

本文研究了一種磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡管理系統(tǒng)，主動(dòng)均衡是相對(duì)于被動(dòng)均衡而言的一種均衡方式，指的是利用主動(dòng)電氣元件實(shí)現(xiàn)電池組容量均衡的方式，而被動(dòng)均衡是通過(guò)電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)來(lái)達(dá)到均衡充電效果。該系統(tǒng)由電池管理系統(tǒng)、電池均衡充電系統(tǒng)和整車組成。單體電池SOC的估計(jì)是通過(guò)自適應(yīng)擴(kuò)展Kalman濾波法應(yīng)用于電池二階等效電路模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在估計(jì)SOC的同時(shí)對(duì)未知噪聲的均值和方差進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和修正，從而降低了未知噪聲對(duì)SOC估計(jì)的影響，該算法的精確性和可行性可滿足工程要求。通過(guò)在電池管理系統(tǒng)中嵌入自適應(yīng)卡爾曼濾波算法對(duì)電池SOC進(jìn)行實(shí)時(shí)估計(jì)，利用模糊邏輯控制FLC（fuzzy logic controller）策略分別對(duì)單體電池均充系統(tǒng)輸出電流大小進(jìn)行控制，既能實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池組快速充電，又能實(shí)現(xiàn)電池組SOC均衡充電。各管理子系統(tǒng)及均充子系統(tǒng)與上位機(jī)之間通過(guò)控制器局域網(wǎng)CAN（controller area net）總線進(jìn)行通信。為驗(yàn)證所使用的均衡充電控制策略，對(duì)48 V/200 AH磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組展開(kāi)了充電模式下的系統(tǒng)均衡實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了該控制策略的有效性。

1 主動(dòng)均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文采用的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1所示。本系統(tǒng)主要由電池管理系統(tǒng)、電池均衡充電系統(tǒng)和整車控制器3部分組成。圖1中，整車控制器通過(guò)USB-CAN總線適配器與電池管理系統(tǒng)的CAN總線相連接，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電池管理系統(tǒng)電池信息的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。

圖1 主動(dòng)均衡系統(tǒng)拓?fù)銯ig.1 Topology of active equalization system

電池管理系統(tǒng)一般由n個(gè)單體電池管理模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)中4節(jié)單體電池管理模塊連接方式如圖2所示。圖2中，單體電池管理模塊之間采用CAN總線進(jìn)行通信和連接。單體電池管理模塊各自分別引出兩根插接頭與單體電池相連接，可隨時(shí)插拔單體電池，并對(duì)單體電池進(jìn)行管理。

電池均衡充電系統(tǒng)由n節(jié)單體電池均充模塊組成，各均充模塊的輸入電壓為串聯(lián)電池組電壓值，通過(guò)植入單體電池管理模塊中的模糊邏輯控制策略可對(duì)單體電池均充模塊的使能進(jìn)行控制，并可調(diào)節(jié)均充模塊的輸出電流大小。

圖2 單體電池管理模塊連接方式Fig.2 Connected cable of single battery manage model

1.2 單體電池管理模塊

單體電池管理電路包括了單體電池檢測(cè)單元與單體電池均衡充電單元兩部分，如圖3所示。單體電池檢測(cè)單元包括智能芯片（ECU）、分壓電路、電流傳感器、濾波電路、電池電壓采樣、電流采樣以及溫度采樣；單體電池均衡充電單元包括DC/DC電路、光電耦合隔離電路，CAN總線通信電路。

圖3 單體電池管理和單體電池均衡模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Single battery manage model and single battery equalization model structure

圖3 中，ECU以飛思卡爾公司的MC9S08DZ16芯片為控制核心。該芯片具有輸入寬電壓范圍在2.7～5.5 V之間、內(nèi)部電壓基準(zhǔn)、多路模數(shù)轉(zhuǎn)換通道、CAN通信模塊、低功耗以及I/O輸出電壓與芯片供電電壓相等等特點(diǎn)。針對(duì)本文的研究對(duì)象為140 Ah的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，單體電池額定電壓為3.2 V，最高充電電壓為3.65 V，放電截止電壓為2.0 V，因此輸入寬電壓范圍的特點(diǎn)使得芯片可以直接采用由單體電池供電，而不需加入穩(wěn)壓電路對(duì)芯片進(jìn)行供電。

其工作原理為：?jiǎn)误w電池經(jīng)電阻分壓電路分壓后，經(jīng)濾波電路處理輸入電池管理芯片進(jìn)行檢測(cè)。單體電池溫度采用熱敏電阻構(gòu)成的電阻分壓電路進(jìn)行分壓后，經(jīng)由濾波電路的處理再輸入電池管理芯片的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道進(jìn)行檢測(cè)。串聯(lián)電池組中流經(jīng)單體電池的電流信號(hào)首先經(jīng)電流傳感器轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)后，再經(jīng)濾波電路的處理輸入到檢測(cè)芯片進(jìn)行檢測(cè)。單體電池管理電路根據(jù)檢測(cè)到的單體電池電壓、溫度和電流參數(shù)，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波算法與系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)集成的方法實(shí)時(shí)估算單節(jié)電池的SOC。

1.3 單體電池均衡充電模塊

如圖3所示，均充模塊控制單元ECU通過(guò)CAN總線與整車控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，整車控制器接收到各單體電池SOC值后，求出電池組荷電狀態(tài)平均值，即

式中，SOCi為第i節(jié)單體電池荷電狀態(tài)。在求出電池組平均荷電狀態(tài)值之后，整車控制器將把各單體電池荷電狀態(tài)SOCi與電池組平均荷電狀態(tài)進(jìn)行比較，得

式中，△SOC為電池組荷電狀態(tài)平均值與各單體電池荷電狀態(tài)的差值。設(shè)定預(yù)設(shè)閾值ε，當(dāng)△SOC＞ε時(shí)，整車控制器將向單體電池均充模塊發(fā)送充電使能指令。單體電池ECU將根據(jù)當(dāng)前△SOC以及單體電池電壓值Vb來(lái)控制均充模塊的輸出電流大小。

2 主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)控制原理

2.1 主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)模型分析

動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)模型如圖4所示，I為流經(jīng)電池組的電流，Bi（i=1,2,…,n）為第 i節(jié)單體電池，ieqi為第i節(jié)單體電池均充模塊輸出電流。

圖4 主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)模型Fig.4 Active equalization charging system model

圖4 中，單體電池均衡充電模塊給各單體電池補(bǔ)充入SOC值，用SOCeqi表示，則有

式中：Q為單體電池額定安時(shí)容量；t為單體電池均衡充電模塊開(kāi)啟均充的時(shí)間。

為消除單體荷電狀態(tài)SOCi與電池組平均荷電狀態(tài)的差值，從而達(dá)到單體荷電狀態(tài)與電池組平均荷電狀態(tài)一致，則須滿足

將式（3）代入式（4）可得，單體電池均衡充電模塊輸出電流須滿足的條件為

2.2 反激式變換器的分析

圖1 中所示的單體電池均充模塊由反激式變換器構(gòu)成，變換器的1個(gè)工作周期具體可從2個(gè)工作階段來(lái)進(jìn)行分析：其中階段1為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通階段，階段2為開(kāi)關(guān)關(guān)斷階段，其等效電路如圖5所示。

圖5 變換器等效電路Fig.5 Equivalent circuit of converter

圖5 中，變換器的輸入vg為串聯(lián)電池組B1～Bn，變換器的輸出并聯(lián)在單體電池兩端，圖中用單體電池開(kāi)路電壓vd和電池歐姆內(nèi)阻R串聯(lián)近似單體電池的線性模型，S為功率開(kāi)關(guān)。

圖5 （a）中，開(kāi)關(guān)S開(kāi)通時(shí)，可用電阻 Ron來(lái)進(jìn)行建模分析。變比為1：n的變壓器折合到一次側(cè)的勵(lì)磁電感為L(zhǎng)。均充單元輸出電流ieq和單體電池端電壓vb波形如圖6所示。

圖6 均充單元電流和單體電池端電壓波形Fig.6 Waveforms of equalization charging unit current and single battery voltage

假定采用恒定開(kāi)關(guān)周期、可變占空比控制。當(dāng)變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下時(shí)，由圖5（a）可得

式中，vL為勵(lì)磁電感L兩端的電壓值。忽略電容C電壓、單體電池開(kāi)路電壓和電池組電壓在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的紋波，式（6）、式（7）可變?yōu)?/p>

當(dāng)變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式下時(shí)，由圖5（b）可得

忽略電容電壓在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的紋波，式（10）可表示為

利用伏秒平衡，得

式中，D為變換器開(kāi)關(guān)S的占空比。聯(lián)立式（9）和式（12），可得各均充單元輸出電流開(kāi)關(guān)周期的平均值為

2.3 模糊控制策略的實(shí)現(xiàn)

圖3 中，模糊邏輯控制器（FLC）通過(guò)PWM控制器來(lái)調(diào)節(jié)單體電池均充模塊輸出電流的大小。FLC由基于規(guī)則、推理引擎（if...then...）、模糊化以及非模糊化4部分組成，如圖7所示。

圖7 模糊邏輯控制器（FLC）框圖Fig.7 Block diagram of fuzzy logic controller

圖 7 中，μA（x）、 μB（y）、 μC（z）分別對(duì)應(yīng)于單體電池端電壓Vb及荷電狀態(tài)差值ΔSOC與單體均充模塊輸出電流ieq的隸屬函數(shù)。

FLC有兩路輸入，分別為單體電池端電壓Vb、單體荷電狀態(tài)與電池組平均荷電狀態(tài)的差值ΔSOC。首先輸入量經(jīng)模糊化過(guò)程轉(zhuǎn)換為模糊量，控制規(guī)則用來(lái)描述單體電池均衡算法的知識(shí)和過(guò)程，基于輸入模糊量和控制規(guī)則在推理引擎中轉(zhuǎn)換為語(yǔ)言控制值。語(yǔ)言推理結(jié)果經(jīng)非模糊化再轉(zhuǎn)換為實(shí)際的輸出值。模糊控制輸出ieq為單體電池均充模塊需輸出的均衡電流。

圖8 為本文研究的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)模糊邏輯控制策略隸屬函數(shù)集。

圖8 輸入、輸出量隸屬函數(shù)Fig.8 Membership functions of the input and output

圖8 中，各變量離散論域的確定可參考文獻(xiàn)[4-6]， 本文選定 SOC 的離散論域?yàn)閇0.05，0.9]、ΔSOC 的離散論域?yàn)閇-0.2，0.2]、ieq的離散論域?yàn)閇0，5]。進(jìn)一步定義 SOC、ΔSOC 及 ieq的模糊語(yǔ)言變量子集，分別為

SOC：{VL（很低），L（低），M（適中），H（高），VH（很高）}；

ΔSOC：{NB（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。琙O（零），PS（正小），PM（正中），PB（正大）}；

ieq：{VS（很?。琒（?。?，M（適中），B（大），VB（很大）}。

根據(jù)磷酸鐵鋰電池充放電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和專家知識(shí)得到模糊規(guī)則，如表1所示。

表1 主動(dòng)均衡充電系統(tǒng)模糊控制規(guī)則Fig.1 Fuzzy control rules of active equalization charging system

表1 中，模糊控制器的輸出量為單體電池均充單元需輸出的均衡電流ieq。根據(jù)模糊推理器輸入的模糊值分配，制定了35條控制規(guī)則。以 An、Bn、Cn分別表示第n條規(guī)則的輸入SOC和ΔSOC的模糊值以及輸出 ieq的模糊值，n=1，2，…，35。模糊推理過(guò)程如下：

（1）模糊化。通過(guò)設(shè)計(jì)好的輸入量SOC和ΔSOC各自的隸屬函數(shù)，分別計(jì)算其對(duì)應(yīng)的模糊輸入隸屬度 μAn（SOC）、 μBn（ΔSOC）。

（2）規(guī)則匹配。利用模糊邏輯運(yùn)算符，應(yīng)用模糊輸入隸屬度計(jì)算規(guī)則前件的滿足度ωn，即

（3）模糊推理。根據(jù)蘊(yùn)涵運(yùn)算符和單條規(guī)則μCn（ieq），計(jì)算出單條規(guī)則的模糊結(jié)論，用隸屬函數(shù)表示為

（4）結(jié)論合成。對(duì)輸出單條規(guī)則的模糊結(jié)論進(jìn)行累加，融合為總的后件 μCn（ieq），即

（5）去模糊化。對(duì)模糊輸出應(yīng)用重心法進(jìn)行去模糊化，計(jì)算出單體電池均充單元輸出電流ieq的表達(dá)式為

（6）計(jì)算變換器開(kāi)關(guān)S的占空比D。聯(lián)立式（14）和式（18），將模糊控制器輸出的均充電流轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)變換器S的占空比D，即

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文研究的動(dòng)力鋰電池組分布式主動(dòng)均衡充電模糊控制策略，本文使用串聯(lián)16節(jié)140 Ah磷酸鐵鋰動(dòng)力電池組構(gòu)建了分布式主動(dòng)均衡充電實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)由充電機(jī)、16節(jié)單體磷酸鐵鋰電池構(gòu)成的動(dòng)力電池組、16節(jié)單體電池管理電路、USB-CAN總線適配器和整車控制器組成，如圖9所示。

通過(guò)嵌入自適應(yīng)Kalman濾波算法到單體電池管理檢測(cè)單元中，可完成對(duì)單體電池SOC的計(jì)算，各單體電池SOC值經(jīng)CAN總線和USB-CAN總線適配器上傳給整車控制器，整車控制器計(jì)算電池組平均荷電狀態(tài)并將其經(jīng)CAN總線發(fā)送給各單體電池管理電路均衡充電單元，接著各均衡充電單元將計(jì)算ΔSOC。將當(dāng)前ΔSOC和各自荷電狀態(tài)SOC作為各均衡充電單元模糊控制器的輸入，分別調(diào)節(jié)各單元中DPA425的占空比大小來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)各均充單元輸出電流的大小。

圖9 電池組分布式主動(dòng)均衡充電實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Block diagram of battery pack distributed active equalization charge

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，首先對(duì)16節(jié)單體電池在滿充電SOC=100%后進(jìn)行帶電阻負(fù)載恒電流放電試驗(yàn)，設(shè)定1～16節(jié)單體電池SOC初始值分別為SOCB1=SOCB2=20%、SOCB3=SOCB4=26%，SOCB5=SOCB6=30%，SOCB7=SOCB8=34% ，SOCB9=SOCB10=38% ，SOCB11=SOCB12=40% ，SOCB13=SOCB14=45% ，SOCB15=SOCB16=48%。單體電池均衡充電單元軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，其流程如圖10所示。

圖10 均衡充電單元流程Fig.10 Flow chart of equalization charge

充電機(jī)恒流充電電流0.115 C，均衡電流取值為0.036 C，恒壓充電電壓3.7V。預(yù)設(shè)閾值ε設(shè)定為1%，當(dāng)ΔSOC＞ε時(shí)，整車控制器將向單體電池均衡充電單元發(fā)出充電指令和當(dāng)前的ΔSOC。單體電池的ECU將開(kāi)通光電耦合隔離電路，從而實(shí)現(xiàn)單體電池均衡充電單元對(duì)該單體電池補(bǔ)充電量。

系統(tǒng)均衡實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。由圖11可見(jiàn)，平均值比較法在t=160 min之后，才可達(dá)到可控均衡一致的效果，而從圖11（b）可知，模糊控制策略在t=120 min左右就已經(jīng)可達(dá)到均衡一致的效果，均衡時(shí)間縮短了接近40 min；與此同時(shí)，在t=120 min的同一時(shí)刻電池組的平均SOC值，圖11（b）的 58%要明顯比圖 11（a）的 50%要高。

因此，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證明，相比于平均值比較法均衡策略，模糊控制策略在均衡時(shí)間、均衡系統(tǒng)效率上更有優(yōu)勢(shì)。

圖11 平均值比較法和模糊控制策略均衡充電實(shí)驗(yàn)效果Fig.11 Charging equalization experiment effects of average compare and fuzzy control strategy

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種動(dòng)力電池組用模糊控制主動(dòng)均衡充電策略，通過(guò)對(duì)反激變換器場(chǎng)效應(yīng)晶體管PWM占空比的調(diào)整，來(lái)分別調(diào)節(jié)各均充單元的輸出電流，做到針對(duì)不一致的單體電池進(jìn)行區(qū)別性充電，從而保證各單體電池SOC均衡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了模糊控制策略可有效縮短均衡時(shí)間，但對(duì)于額定安時(shí)容量更大的電池組，且當(dāng)電池組SOC不一致性更趨于明顯時(shí)該控制算法還需不斷加以改進(jìn)和優(yōu)化；同時(shí)本文使用電池組作為均衡輸入電源，該方法存在從內(nèi)部能量高的單體電池獲取電能，因此風(fēng)險(xiǎn)較大，為此，論文在后期將對(duì)均衡電源采取外加電源進(jìn)行研究。

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