林小峰，王志浩，宋紹劍

（廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004）

基于雙層結(jié)構(gòu)的鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)*

林小峰，王志浩，宋紹劍

（廣西大學 電氣工程學院，廣西 南寧 530004）

針對電池組中單體電池的個數(shù)較多且控制策略復雜等問題，提出了一種雙層結(jié)構(gòu)的主動均衡控制方法，分別控制底層雙向 Buck-Boost電路和頂層反激式變換器電路的開關(guān)通斷，實現(xiàn)能量的合理轉(zhuǎn)移，從而達到均衡目的。結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)估算中的應用，設(shè)計了一種新的以SOC為均衡判據(jù)的控制系統(tǒng)。由實驗結(jié)果分析可知，所提出的雙層主動均衡控制方法解決了單層均衡結(jié)構(gòu)由于均衡路徑長而引起的均衡時間過久的問題，均衡效率得到顯著提高。

鋰動力電池組；雙層結(jié)構(gòu)；主動均衡；SOC

0　引言

目前用于儲能系統(tǒng)中的動力性電池主要有：鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。由于鋰動力電池具有無污染能量密度高、自放電率低、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，已被廣泛應用于儲能領(lǐng)域[1]。電池成組的方式有串聯(lián)、并聯(lián)和混聯(lián)三種，其中串聯(lián)方式是目前大多數(shù)電動車采用的成組方法[2]。電池組的不一致性會造成電池組容量、輸出功率、電池利用率的衰減，從而降低純電動汽車的續(xù)駛里程，增加使用成本[3]。

均衡電路可以分為能量消耗型和能量非消耗型。能量消耗型給電池組中每節(jié)單體電池并聯(lián)一個分流電阻，將過充的電池中多余能量消耗掉，達到均衡目的；能量非消耗型，即采用電感、電容作為儲能元件，利用常見電源變換電路將多余能量在電池間進行重新分配，達到電池間能量轉(zhuǎn)移[4]。例如，高速開關(guān)電容技術(shù)利用一組電容器在串聯(lián)儲能電源組相鄰儲能單體之間傳遞能量，效率高，控制簡單[5]。

對于電動汽車車載蓄電池組這種電池數(shù)量較多的應用場合，不同拓撲結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化組合、構(gòu)建分層式的均衡結(jié)構(gòu)可以更好地實現(xiàn)能量的跨越式傳遞，具有均衡路徑短、均衡效率高、擴展能力強等優(yōu)點[6]。

按照均衡變量的不同，均衡方法可以分為容量均衡法、化學均衡法[7]、電壓均衡法、SOC均衡法[8]。目前很多均衡研究以電壓作為均衡變量，但由于磷酸鐵鋰電池的自身特點，電壓并不能真實反映電池組容量狀態(tài)的一致性，均衡效果不穩(wěn)定。

SOC表征當前電池剩余容量占最大可用容量的比例，以SOC作為均衡變量時，可以忽略電池組內(nèi)單體電池間最大可用容量的差異，使所有單體電池同時達到充放電截止電壓[9]。同時，當電池的 SOC保持一致時，意味著所有單體均工作于相同的放電深度，避免由于放電深度不同導致的電池老化速度的差異。

本文結(jié)合上述多種方法的的優(yōu)點，提出以雙層主動均衡系統(tǒng)為基礎(chǔ)、以SOC作為均衡變量的控制系統(tǒng)，簡要闡述了電池SOC的估算方法，并在仿真環(huán)境中實現(xiàn)了磷酸鐵鋰電池組在充電過程中的均衡控制，驗證了此方法的高效性。

1　雙層主動均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本文設(shè)計了一套雙層主動均衡系統(tǒng)，提出了相應的控制策略，利用開關(guān)脈寬調(diào)制(Pulse-Width Modulation，PWM)信號，分別控制頂層和底層電路中的開關(guān)管，可以實現(xiàn)電池組內(nèi)能量的雙向傳遞，快速、高效地實現(xiàn)電池組的均衡控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雙層主動均衡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

頂層結(jié)構(gòu)中的電池單體數(shù)量較多，因此要求底層拓撲易于控制，并且擴展性較強?？梢圆捎没诜醇ぷ儔浩鞯母綦x拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲結(jié)構(gòu)既可實現(xiàn)將電壓過高的單體電池的能量反饋到整個電池組，也可實現(xiàn)電池組的能量反饋到某個或某兩個過放的單體上。反激式變換器電路均衡速度快、成本低、結(jié)構(gòu)簡單，同時電路采用隔離式拓撲結(jié)構(gòu)，可以有效實現(xiàn)電池組之間電氣隔離，減小電池兼容影響[10]。

考慮到底層結(jié)構(gòu)中電池單體數(shù)量較少，Buck-Boost變換器均衡結(jié)構(gòu)是一種非隔離式DC/DC變換器的分布式均衡技術(shù)，這種拓撲電流轉(zhuǎn)移路徑是雙向的，可以實現(xiàn)自上而下或者自下而上的在相鄰的兩個儲能電源單體之間實現(xiàn)能量的雙向傳遞。電路拓撲易于實現(xiàn)，能耗少，且均衡效率高，在電池組單體個數(shù)發(fā)生變化時電路無須較大改動，比較適合應用于動力電池組的均衡拓撲。

本文提出的雙層均衡結(jié)構(gòu)的電池分布如圖2所示。此結(jié)構(gòu)有助于解決傳統(tǒng)均衡方法由于電池數(shù)量過多造成的均衡路經(jīng)長、損耗較大、均衡效率不高的問題。

圖2　雙層均衡結(jié)構(gòu)的電池分布圖

2　雙層均衡系統(tǒng)控制策略分析

2.1基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的SOC估算方法

由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有逼近多輸入輸出參數(shù)函數(shù)、高度的非線性、魯棒性和容錯性等特點，可以準確地對結(jié)構(gòu)復雜的電池的SOC進行估算。因此本文采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對電池進行建模。

極限學習機(Extreme Learning Machine，ELM)的方法與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、學習速度快、參數(shù)容易調(diào)整且不易陷入局部最小等優(yōu)點，具有逼近多輸入輸出參數(shù)函數(shù)、高度的非線性、魯棒性和容錯性等特點[11]。

由于在對電池進行充放電過程中，電池的溫度變化很小，因此以磷酸鐵鋰電池的電壓、電流作為模型的輸入，以SOC作為模型的輸出。

本文選用新威BTS-5 V/200 A電池監(jiān)控系統(tǒng)，對容量為10 Ah、額定電壓為 3.5 V的磷酸鐵鋰電池進行不同電流的放電實驗。在室溫(25℃)環(huán)境中，將電池從滿充狀態(tài)下分別以1 A～10 A的恒定電流放電，直到電池電壓下降到電池截止電壓(2.5 V)為止。上位機通過CAN總線每1 s讀取一次電池電壓、電流的數(shù)據(jù)，SOC可以通過電流積分法計算獲得。例如，4 A和8 A的電流放電所得的部分數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　放電實驗數(shù)據(jù)

以電池在不同放電倍率下的電壓、電流值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓練集，在MATLABR2010a環(huán)境下，將訓練數(shù)據(jù)輸入網(wǎng)絡(luò)模型中對模型進行訓練。取放電電流為4 A的實驗數(shù)據(jù)作為測試樣本，檢驗神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的泛化性能。建立的SOC估算模型的訓練速度和泛化性能如表2所示。其中RMSE為均方根誤差。

表2　SOC估算模型的性能參數(shù)

2.2以SOC為均衡變量的判定方法

均衡算法模塊通過均衡策略分析各電池的荷電狀態(tài)，并為均衡電路提供實時有效的PWM信號。PWM信號周期T與占空比D的定義如下所示:

其中 t1、t2分別是一個均衡周期內(nèi)電感存儲能量的時間和釋放能量的時間。

以SOC為均衡變量的判據(jù)主要有3個參數(shù)：組內(nèi)電池單體荷電狀態(tài)的平均值SOC、均方差ε以及相鄰兩電池單體間的荷電狀態(tài)差值ΔSOC。假設(shè)組內(nèi)有n個電池單體，3個參數(shù)的定義如下：

其中，均方差ε可以代表電池組荷電狀態(tài)的不一致性。本文將均衡開啟的條件設(shè)定為：均方差ε≥γ。當系統(tǒng)判定電池組滿足均衡開啟的條件，頂層均衡控制器將會對相鄰差值ΔSOC≥η的電池模塊進行均衡操作，其中γ、η是均衡控制策略中設(shè)定的閾值。

2.3底層均衡模塊控制方法

底層雙向Buck-Boost均衡拓撲如圖3所示。其中，B1、B2…Bn是底層電池單體。

圖3　雙向Buck-Boost電路拓撲圖

假設(shè)檢測到當前狀態(tài)下電池組的不一致性ε滿足均衡開啟條件，并且底層電池單體B1和B2之間的ΔSOC超過設(shè)定的閾值(SOC1＞SOC2)，則需要開啟均衡電路。整個均衡過程分為B1放電和B2充電兩個階段。

B1放電過程：當 t=0時，通過控制 PWM信號使開關(guān)管Q1閉合，將B1中過充的能量存儲在功率電感L1中，電感電流 iL從 0開始線性增長，可以表示為：，其中V1為電池 B1的端電壓。當 t=t1時，iL到達最大電流值 imax，設(shè)此時刻功率電感的電壓為 VL。在這個過程中，iL的增量可以表示為。

B2充電過程：當 t=t1時，控制開關(guān)管 Q1斷開，iL通過二極管D2續(xù)流，電感L1中儲存的能量向B2傳遞，iL線性下降，可表示為：。當 t=t2時，iL減小到0，此時一個底層均衡周期結(jié)束。重復此均衡動作，直到檢測到電池組的荷電狀態(tài)不一致性小于均衡策略設(shè)定的閾值，停止均衡操作。

同理可知，當SOC1＜SOC2時，B2也可以將過充的能量轉(zhuǎn)移給B1，實現(xiàn)能量的雙向傳遞。

2.4頂層均衡模塊控制方法

頂層均衡控制電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中B1、B2、B3、B4是由若干個電池單體組成的頂層電池模塊。

圖4　反激變換器電路拓撲圖

假設(shè)當前狀態(tài)下電池組的不一致性ε滿足均衡開啟條件，需要開啟均衡電路，并且電池管理系統(tǒng)監(jiān)測到B1電池模塊的SOC值最高，則對B1電池模塊進行均衡操作。整個底層均衡周期分為B1放電和整個電池組充電兩個階段。

B1放電過程：當 t=0時，通過控制 PWM信號使開關(guān)管Q1、Q2閉合，將 B1中過充的能量存儲在變壓器的原邊繞組中。當 t=t1時，變壓器原邊電流 iL到達最大值 imax。

整個電池組充電過程：當 t=t1時，控制開關(guān)管 Q1、Q2斷開，Q9閉合，原邊繞組中的勵磁能量通過副邊繞組轉(zhuǎn)移到電池組，直到副邊電流減小到0為止。

每個均衡周期結(jié)束之后，若監(jiān)測當前狀態(tài)下電池組的不一致性ε不滿足均衡開啟條件，則停止均衡；反之，則繼續(xù)對當前能量值最高的電池單元進行均衡操作，直到電池組的不一致性ε小于均衡策略中設(shè)定的閾值γ，停止均衡。

3　仿真實驗結(jié)果分析

本文在MATLAB/SimPowerSystem仿真環(huán)境中進行均衡仿真實驗。對給定初始SOC的電池組進行均衡充電，通過監(jiān)控電池狀態(tài)的改變，測試均衡系統(tǒng)的性能。將雙層均衡系統(tǒng)與傳統(tǒng)單層 Buck-Boost均衡系統(tǒng)進行對比，驗證了本文提出的均衡控制系統(tǒng)的高效性。

均衡實驗選定額定電壓為3.5 V、額定容量為10 Ah、額定電流為5 A的磷酸鐵鋰電池單體作為實驗對象。本文設(shè)計了一個含有6個電池單體的雙層均衡電池組，分為兩個底層均衡模塊，分別含有三個電池單體。第一個底層電池組包含的電池單體編號依次為 1、2、3，第二個底層電池組包含的電池單體編號依次 4、5、6，給定其初始的電池荷電狀態(tài)為SOC1=95%、SOC2=90%、SOC3=88%和SOC4=85%、SOC5=82%、SOC6=80%。經(jīng)過分析，設(shè)定PWM控制信號的頻率為100 kHz，D=30%，η=0.1%，γ=0.001。

對電池組進行均衡充電實驗，充電方式為電流為5 A的恒流充電。雙層均衡系統(tǒng)的電池單體SOC變化如圖5所示。

圖5　雙層均衡系統(tǒng)的電池SOC曲線圖

由以上實驗結(jié)果分析可知，本文提出的雙層均衡系統(tǒng)精確地完成了均衡目標，電池組內(nèi)6個電池單體的荷電狀態(tài)在t=600 s的時刻達到了一致狀態(tài)，快速高效地消除了組內(nèi)電池單體的不一致性，實現(xiàn)了電池模塊內(nèi)以及電池模塊之間的均衡。

4　結(jié)論

針對由于電池單體的不一致性導致的電池組容量和使用壽命衰減的問題，本文通過分析雙層主動均衡結(jié)構(gòu)的原理以及電池SOC的估算方法，設(shè)計了一種基于雙層結(jié)構(gòu)的主動雙向均衡系統(tǒng)，提出了一種以SOC作為判據(jù)的均衡策略。仿真實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的雙層主動均衡控制系統(tǒng)可以精確地實現(xiàn)均衡目標，有效防止了由于電池組內(nèi)的不一致性造成的部分單體過充現(xiàn)象的發(fā)生，并且改善了單層均衡結(jié)構(gòu)由于均衡路徑長而引起的均衡時間過久的缺陷，在很大程度上提高了均衡效率，有助于提高電動汽車的性能。

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Lithium-ion power battery active equalization control system based on double-level structure

Lin Xiaofeng，Wang Zhihao，Song Shaojian
(School of Electrical Engineering，Guangxi University，Nanning 530004，China)

Due to the reason of huge number of cells and complex control strategy,this paper proposes a double-level active equalization control method,which controls the state of switch in the bottom level bi-directional Buck-Boost topology and the top level fly-back transformer topology respectively,to balance the battery pack through reasonable transfer of energy.We designed a new double-level active equalization control system based on SOC to balance the lithium-ion battery pack in the process of charging.The results illustrated that the double-level active equalization control method proposed solved the traditional single-level's problem of equalization time caused by long equalization path,efficiency was improved significantly.

lithium-ion power battery pack；double-level structure；active equalization；SOC

TM912

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.01.031

國家自然科學基金（61364007）；廣西科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科攻 14122007-33）；南寧市科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（20141050）

2015-06-26)

林小峰（1955－），男，教授，博士生導師，主要研究方向：智能控制，新能源轉(zhuǎn)換與控制。

王志浩（1989－），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：新能源轉(zhuǎn)換與控制，E-mail：385792773@qq.com。

宋紹劍（1970－），男，教授，碩士生導師，主要研究方向：新能源轉(zhuǎn)換與控制，復雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化。

中文引用格式：林小峰，王志浩，宋紹劍.基于雙層結(jié)構(gòu)的鋰電池主動均衡控制系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應用，2016，42(1)：119-122.

英文引用格式：Lin Xiaofeng，Wang Zhihao，Song Shaojian.Lithium-ion power battery active equalization control system based on double-level structure[J].Application of Electronic Technique，2016，42(1)：119-122.