王友仁，黃薛，耿星，徐智童，陳則王

南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 211106

航空蓄電池電源用于飛機(jī)引擎起動(dòng)、飛行控制、通訊導(dǎo)航類機(jī)載電子設(shè)備的空中應(yīng)急供電，以及飛機(jī)地面維護(hù)時(shí)供電，是飛機(jī)電源系統(tǒng)的重要組成部分，對(duì)飛機(jī)安全飛行和飛行任務(wù)完成起至關(guān)重要的作用[1]。

由于電池單體標(biāo)稱電壓較低，需將多個(gè)電池單體串聯(lián)使用以滿足不同電壓需求[2]。因電池組在使用過(guò)程中隨時(shí)間反復(fù)充電和放電，每個(gè)電池單體顯示出不同退化特性，尤其是一個(gè)或多個(gè)性能指標(biāo)較差的電池比其他電池更快完成充電或放電。因此，性能指標(biāo)較差的電池會(huì)制約整個(gè)電池組的工作循環(huán)壽命，甚至引發(fā)起火爆炸等嚴(yán)重安全事故[3]。

近年來(lái)，研究熱點(diǎn)多集中于能量轉(zhuǎn)移的均衡方式來(lái)解決單體電池不一致性。目前大多數(shù)能量均衡電路旨在實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡即使用各種儲(chǔ)能元件和DC-DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)組內(nèi)各單體間能量轉(zhuǎn)移。文獻(xiàn)[4-5]提出變壓器型主動(dòng)均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用單體電池端電壓作為均衡變量實(shí)現(xiàn)能量從電池單體到電池單體的轉(zhuǎn)移。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)基于準(zhǔn)諧振LC轉(zhuǎn)換器和升壓變換器的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)檢測(cè)單體電池端電壓進(jìn)行電池組能量均衡管理。文獻(xiàn)[7]利用變壓器作為能量?jī)?chǔ)存單元，通過(guò)檢測(cè)每節(jié)單體電池的端電壓估算其開(kāi)路電壓(OCV)，再用OCV與荷電狀態(tài)(SOC)關(guān)系曲線(假定所有單體電池是相同的)來(lái)估計(jì)單體電池SOC，實(shí)現(xiàn)單對(duì)單電池能量均衡轉(zhuǎn)移。文獻(xiàn)[8]提出了級(jí)聯(lián)雙級(jí)型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)均衡控制策略，通過(guò)檢測(cè)電池組工作電流，利用安時(shí)積分法獲得4個(gè)電池組SOC，實(shí)現(xiàn)能量均衡管理。然而，現(xiàn)有的能量均衡電路存在缺點(diǎn)有：① 能量均衡速度較低：因均衡電流小，能量轉(zhuǎn)移速度有限，無(wú)法滿足大電流情況下均衡要求；② 能量轉(zhuǎn)移效率低：在化學(xué)能、電能的轉(zhuǎn)換與搬移過(guò)程中會(huì)損失一定的能量；③缺少電池單體故障隔離能力：某個(gè)電池單體的失效會(huì)引起整個(gè)電池組電源停止工作，甚至安全事故。

現(xiàn)有電池組均衡控制策略有電池端電壓均衡和SOC均衡。單體電池端電壓容易測(cè)量、精度高，作為均衡準(zhǔn)則參量能防止電池過(guò)充電和過(guò)放電，通過(guò)端電壓一致性實(shí)現(xiàn)電池組能量均衡[9]。然而，隨著電池性能退化，不同容量的電池端電壓高低與電池剩余電量之間不一定是單調(diào)下降關(guān)系，將對(duì)電池組均衡效果有一定影響；以SOC作為均衡準(zhǔn)則參量理論上可以更好實(shí)現(xiàn)電池組各單體電池能量均衡，逐步得到研究人員關(guān)注。目前SOC估算方法主要有安時(shí)積分法[10]、開(kāi)路電壓法和卡爾曼濾波法[11]等,而現(xiàn)有算法的SOC估計(jì)精度不夠(工程上5%左右)、算法也復(fù)雜，且原則上需要電流傳感器檢測(cè)每一節(jié)單體電池工作電流、體積重量大與價(jià)格較高，要以SOC均衡準(zhǔn)則參量實(shí)現(xiàn)可行有效的電池組能量均衡管理還有很大困難。需要根據(jù)具體應(yīng)用需求研究高效的電池組能量均衡管理控制策略。

對(duì)故障失效電池進(jìn)行重構(gòu)隔離能實(shí)現(xiàn)蓄電池容錯(cuò)，根據(jù)電池重構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，可重構(gòu)電池拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為3類：①開(kāi)關(guān)陣列型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[11-13]：開(kāi)關(guān)陣列型中每節(jié)電池使用復(fù)雜的開(kāi)關(guān)陣列，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)陣列的閉合方式實(shí)現(xiàn)電池組動(dòng)態(tài)容錯(cuò)，使電池組可以在串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)混合模式下工作。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺點(diǎn)是使用開(kāi)關(guān)數(shù)量多，充放電過(guò)程中開(kāi)關(guān)電阻會(huì)造成少量功耗；②開(kāi)關(guān)旁路型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[14-16]：通過(guò)開(kāi)關(guān)旁路的方法將失效電池旁路而不影響其他電池充放電。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)數(shù)量大大減少，缺點(diǎn)是單體電池陣列級(jí)重構(gòu)靈活性不足；③ DC-DC變換器型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[17-21]：每節(jié)單體電池并聯(lián)一個(gè)DC-DC模塊，通過(guò)相應(yīng)開(kāi)關(guān)管理重構(gòu)電池組，由DC-DC變換器構(gòu)成的串聯(lián)電路給負(fù)載供電。這種結(jié)構(gòu)難點(diǎn)是需要根據(jù)負(fù)載功率、輸出電壓、電流實(shí)時(shí)修正控制信號(hào)，使得輸出電壓穩(wěn)定并滿足負(fù)載功率需求。

飛機(jī)蓄電池電源通常有可靠性與容錯(cuò)要求，目前飛機(jī)蓄電池電源無(wú)故障隔離能力，采用系統(tǒng)冗余備份方案的缺點(diǎn)是體積重量大、容錯(cuò)能力不高。目前有關(guān)蓄電池容錯(cuò)技術(shù)研究很少，對(duì)航空蓄電池容錯(cuò)及其均衡管理技術(shù)研究具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)蓄電池組故障隔離與電池不一致性問(wèn)題，本文提出一種容錯(cuò)航空蓄電池電源體系結(jié)構(gòu)與均衡管理方法，開(kāi)發(fā)了容錯(cuò)航空蓄電池電源原理樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所研究技術(shù)方案的可行性與先進(jìn)性。

1 容錯(cuò)航空蓄電池電源

容錯(cuò)航空蓄電池電源系統(tǒng)主要通過(guò)檢測(cè)電池端電壓、工作電流、溫度等信息對(duì)電池組進(jìn)行容錯(cuò)控制與均衡管理。

1.1 容錯(cuò)蓄電池電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

采用22節(jié)電池組成容錯(cuò)航空蓄電池電源系統(tǒng)，其中2節(jié)電池為冗余備份電池，電源系統(tǒng)由可重構(gòu)電池組、控制系統(tǒng)、DC-DC變換器等組成。控制系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)公司的STM32103系列MCU控制器，芯片型號(hào)為STM32F103VET6。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，系統(tǒng)通過(guò)監(jiān)測(cè)各電池單體狀態(tài)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重構(gòu)電池組連接方式。

圖1 航空蓄電池容錯(cuò)電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of fault-tolerant battery power supply for aircraft

1.2 可重構(gòu)電池組

1)重構(gòu)控制拓?fù)?/p>

本文設(shè)計(jì)如圖2所示的開(kāi)關(guān)旁路型可重構(gòu)控制電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，每節(jié)電池連接兩個(gè)MOSFET功率開(kāi)關(guān)管，通過(guò)兩個(gè)開(kāi)關(guān)管控制電池單元旁路或使電池單元接入電池組。選用的功率管為IRFP054N型功率MOSFET,VDSS=55 V，ID=81 A。

圖2 可重構(gòu)電池控制電路拓?fù)銯ig.2 Topology of control circuit for reconfigurable batteries

2)重構(gòu)控制方式

在MOSFET關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程中，工作電流可通過(guò)MOSFET的并聯(lián)二極管流向其他電池，電池系統(tǒng)仍正常工作。圖3為充電時(shí)電池旁路操作過(guò)程。圖中的電池2(B2)為需要旁路的電池，圖3(a)為S2a(與電池串聯(lián)MOSFET)斷開(kāi)、S2b(與電池并聯(lián)MOSFET)未閉合時(shí)充電電流流向圖，從圖中可以看出，當(dāng)S2b未閉合時(shí)，電流經(jīng)過(guò)S2a的體二極管流向其他電池。圖3(b)為S2b閉合時(shí)電流流向圖。

圖4為放電時(shí)電池旁路過(guò)程電流流向圖，先斷開(kāi)MOS管S2a，再閉合MOS管S2b。圖4(a)

圖3 電池旁路：充電電流流向圖Fig.3 Battery cell bypass: Charge current flow

圖4 電池旁路：放電電流流向圖Fig.4 Battery cell bypass: Discharge current flow

為MOS管S2a斷開(kāi)、S2b未閉合時(shí)電流流向圖，此時(shí)電流通過(guò)S2b的體二極管流向其他電池，圖4(b)為MOS管S2a斷開(kāi)、S2b閉合時(shí)電流流向圖。圖中箭頭表示電流流向。

1.3 電池電源容錯(cuò)控制

當(dāng)電源系統(tǒng)中有故障電池時(shí)，通過(guò)可重構(gòu)控制電路，旁路故障電池，接入冗余電池使電源系統(tǒng)繼續(xù)工作；當(dāng)故障電池?cái)?shù)超過(guò)2節(jié)，系統(tǒng)中無(wú)冗余電池時(shí)，接入升壓變換器，使電源繼續(xù)向負(fù)載供電。

1)電池失效判斷

航空電池組中若有電池單體性能退化嚴(yán)重、電池單體斷路或短路、溫度過(guò)高等將引發(fā)電池組不能正常工作。設(shè)計(jì)電池失效判定方法為

① 當(dāng)電池單體可用容量低于額定容量80%。

② 電池單體電流為0(判斷是否斷路)或者電池單體內(nèi)阻值接近0(判斷是否短路)。

③ 在電池單體過(guò)度放電過(guò)程中，若出現(xiàn)電池端電壓變?yōu)樨?fù)值，則表明電池正負(fù)極發(fā)生“顛倒”。

④ 當(dāng)電池單體內(nèi)部出現(xiàn)局部短路等故障時(shí)，電池溫度快速升高(如超過(guò)40 ℃)，則容易引發(fā)熱失控。

當(dāng)滿足以上任意一個(gè)判定條件時(shí)，就判定相應(yīng)的電池單體失效。

2)有冗余電池的容錯(cuò)控制

圖5為有冗余電池單體的容錯(cuò)控制方法示意圖。假定電池2為故障電池，先斷開(kāi)與電池2串聯(lián)的開(kāi)關(guān)S2a′，再閉合與電池2并聯(lián)的開(kāi)關(guān)S2b′；然后接入冗余電池1，先斷開(kāi)與冗余電池并聯(lián)的開(kāi)關(guān)S1b，再閉合與冗余電池串聯(lián)的開(kāi)關(guān)S1a。

3)無(wú)可用冗余電池時(shí)容錯(cuò)控制

當(dāng)系統(tǒng)中無(wú)冗余電池可用時(shí)，接入升壓變換器繼續(xù)為負(fù)載供電，延長(zhǎng)電池電源放電時(shí)間。本文所設(shè)計(jì)的電池組電源額定電壓為+24 V，最大輸出電流為30 A，在充滿電時(shí)最高輸出電壓為30 V。設(shè)計(jì)采用boost型升壓變換器，輸入電壓范圍為10～30 V、輸出電壓為+24 V，最大輸入電流為30 A，升壓變換器輸入端連接蓄電池組、輸出端連接電池電源輸出端。圖6為無(wú)可用冗余電池時(shí)的容錯(cuò)控制方法。

圖5 有冗余電池時(shí)的容錯(cuò)控制方法Fig.5 Fault-tolerant control method for battery with redundant cells

圖6 無(wú)可用冗余電池時(shí)的容錯(cuò)控制方法Fig.6 Fault-tolerant control method for battery without usable redundant cells

2 電池電源均衡管理

電池電源均衡管理分為充電均衡管理和放電均衡管理兩種情況。電池均衡管理方法為：充電時(shí)旁路已達(dá)充電截止電壓電池直至所有電池達(dá)到充電截止電壓，使得每一節(jié)電池都能被充滿電，提高電池組容量利用率；放電時(shí)依據(jù)“冒泡沉底”策略動(dòng)態(tài)管理工作電池，將22節(jié)電池按照端電壓數(shù)值從大到小排序，選取電池端電壓排序靠前的20節(jié)電池給負(fù)載供電，排序最低2節(jié)電池作為冗余備份電池，避免性能較差電池出現(xiàn)過(guò)度放電情況，提高電池組能量利用率。

1)充電均衡管理

在充電過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)22節(jié)電池單體的端電壓，通過(guò)控制相應(yīng)開(kāi)關(guān)，旁路達(dá)到最大充電截止電壓的電池單體而不影響其他電池單體的充電進(jìn)程，直至所有電池單體達(dá)到充電截止電壓。

2)放電均衡

在放電過(guò)程中，采用“冒泡沉底”動(dòng)態(tài)均衡管理策略，對(duì)22節(jié)電池單體按照端電壓大小進(jìn)行冒泡排序，選取端電壓相對(duì)最高的20節(jié)電池單體對(duì)負(fù)載供電，旁路電壓相對(duì)最小的兩節(jié)電池。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電源狀態(tài)，不斷對(duì)全部電池單體的端電壓進(jìn)行排序，若出現(xiàn)新的最小電壓電池單體，則旁路新的最小電壓電池單體，再接入可用的冗余電池單體，使系統(tǒng)保持有20節(jié)電池工作。

當(dāng)系統(tǒng)中沒(méi)有可用的冗余電池單體時(shí)，若出現(xiàn)某電池單體達(dá)到最小放電截止電壓時(shí)，暫時(shí)隔離該電池單體，可接入升壓變換器維持系統(tǒng)繼續(xù)工作。

3 容錯(cuò)電池電源系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

鎳鎘蓄電池具有抗震、壽命長(zhǎng)、使用溫度范圍寬、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在航空領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本系統(tǒng)使用22節(jié)鎳鎘堿性蓄電池單體串聯(lián)組成鎳鎘蓄電池組，開(kāi)發(fā)了容錯(cuò)航空蓄電池電源系統(tǒng)原理樣機(jī)。圖7為容錯(cuò)航空電池電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。

MCU控制器的功能是實(shí)時(shí)采集單體電池的電壓、溫度、充放電電流以及進(jìn)行數(shù)據(jù)通信等，并根據(jù)電池組狀態(tài)進(jìn)行容錯(cuò)控制和均衡管理。圖8為控制器組成結(jié)構(gòu)圖，其中SPI為串行外設(shè)接口，TIM為定時(shí)器，PWM為脈沖寬度調(diào)制，ADC為模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器，GPIO為通用輸入輸出接口，CAN為控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，USART為通用同步/異步收發(fā)器，SWD表示串行單線調(diào)試口。圖9為容錯(cuò)航空蓄電池電源及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖。

圖7 容錯(cuò)航空蓄電池電源實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of experimental platform for fault-tolerant aviation battery

圖8 控制器組成結(jié)構(gòu)圖Fig.8 Diagram of structure of control module

圖9 容錯(cuò)航空蓄電池電源及實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.9 Picture of real fault-tolerant aviation battery and its experiment platform

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為22節(jié)GNZ30鎳鎘電池組成的串聯(lián)電池組，實(shí)驗(yàn)用22節(jié)電池中有6節(jié)電池是已使用兩年的舊電池，有16節(jié)電池是已使用一年的舊電池，各個(gè)電池單體之間有很大的不一致性。

本實(shí)驗(yàn)分為兩部分：① 電池電源容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)模擬電池短路和斷路、電池組中串聯(lián)容量小于80%的失效電池，驗(yàn)證系統(tǒng)容錯(cuò)能力；② 電池電源均衡管理實(shí)驗(yàn)，包括充電均衡實(shí)驗(yàn)和放電均衡實(shí)驗(yàn)。充電均衡實(shí)驗(yàn)時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)0.2 C(即6 A)電流對(duì)電池組進(jìn)行充電；放電均衡實(shí)驗(yàn)分別用恒流6 A和恒流5 A對(duì)電池組進(jìn)行放電。通過(guò)均衡實(shí)驗(yàn)，分析動(dòng)態(tài)均衡管理對(duì)電池組性能的影響，如電壓極差、充放電時(shí)間、充入電量以及放出電量。

4.1 電池電源容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)

容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)包括：充電時(shí)單體電池容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)、放電時(shí)單體電池容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)。電池組中第14號(hào)電池為容量小于額定容量80%的使用3年的失效電池，第3號(hào)電池模擬電池短路，第7號(hào)電池模擬電池?cái)嗦贰?/p>

1) 充電時(shí)單體電池容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)

如圖10(a)所示，在第180 s，系統(tǒng)檢測(cè)到第14號(hào)電池容量小于額定容量的80%，則隔離第14號(hào)電池；在第1 784 s時(shí)，第3號(hào)電池外部短路，隔離第3號(hào)電池；在第2 214 s時(shí)，第7號(hào)電池?cái)嗦?，為使電池?cái)嗦窌r(shí)電池組有容錯(cuò)策略與電池組無(wú)容錯(cuò)策略實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比，斷路實(shí)驗(yàn)持續(xù)60 s。圖10(b)為電池失效時(shí)，電池組充電電流變化曲線圖。從圖10(b)可看出，電池組中單體電池?cái)嗦窌r(shí)，整個(gè)電池組斷路，在第2 274 s時(shí)，斷路電池被旁路，其他電池重新連接，電池組繼續(xù)充電。

圖10 充電時(shí)電池組容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)Fig.10 Fault-tolerance experiment of battery during charging

2) 放電時(shí)單體電池容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)

使用第11號(hào)、第12號(hào)電池為冗余備份電池。如圖11(a)所示，在第180 s時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到第14號(hào)電池容量小于額定容量80%，則旁路第14號(hào)電池，系統(tǒng)接入第11號(hào)冗余備份電池；在第3 324 s時(shí)，第3號(hào)電池短路，則旁路第3號(hào)電池，接入第22號(hào)冗余備份電池；在第4 079 s時(shí)，第7號(hào)電池?cái)嗦?，旁路?號(hào)電池，此時(shí)系統(tǒng)中無(wú)冗余備份電池，則系統(tǒng)接入升壓變換器。

圖11(b)為接入升壓變換器后電池組單體電池端電壓變化曲線圖，接入升壓變換器后各電池端電壓下降速度加快。圖11(c)為接入升壓變換器前后的電池組放電電流變化曲線圖?？梢钥闯鱿到y(tǒng)在接入升壓變換器之前，電池放電電流為恒流6 A。由于冗余電池已經(jīng)用完，在第4 079 s時(shí)7號(hào)電池單體失效系統(tǒng)容錯(cuò)重構(gòu)接入升壓變換器，維持電池電源的輸出電壓與輸出電流不變，則電池組放電電流增加。

總之，當(dāng)電池單體失效時(shí)系統(tǒng)能夠接入冗余電池，當(dāng)無(wú)冗余電池時(shí)接入升壓變換器使得系統(tǒng)維持輸出電壓連續(xù)供電，系統(tǒng)具有故障隔離能力。

圖11 放電時(shí)電池組容錯(cuò)實(shí)驗(yàn)Fig.11 Fault-tolerance experiment of battery during discharging

4.2 電池電源均衡管理實(shí)驗(yàn)

1) 充電均衡管理

電池電源充電均衡實(shí)驗(yàn)包括：22節(jié)電池組的無(wú)均衡管理實(shí)驗(yàn)、單次均衡管理實(shí)驗(yàn)和循環(huán)均衡管理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

由圖12可知，電池組未均衡管理充電結(jié)束時(shí)，各電池單體的最大電壓極差是196 mV，充電時(shí)間為3 060 s，電池組充入電量112.2 A·h。各電池單體間不一致性大，蓄電池組能量利用率低；第一次充電均衡管理結(jié)束時(shí)，各電池電壓極差為10 mV，充電時(shí)間為5 480 s，電池組充入總電量161.764 A·h，第8次充電循環(huán)均衡管理結(jié)束時(shí)，各電池電壓極差為10 mV，充電時(shí)間為6 335 s，電池組充入總電量為189.444 A·h。第8次循環(huán)均衡相較于未均衡管理時(shí)電池組多充入電量77.244 A·h。

圖12 充電均衡管理時(shí)單體電池端電壓變化圖Fig.12 Diagram of voltages of battery cells in charging equalization management

圖13為有無(wú)充電均衡管理時(shí)各電池單體充入電量對(duì)比圖。由圖13可知，隨著循環(huán)均衡管理次數(shù)的增加，電池組整體存儲(chǔ)電量增加。

圖13 有無(wú)充電均衡管理時(shí)電池單體充入電量對(duì)比圖Fig.13 Comparison of electric quantity of battery cells with and without charging equalization management methods

2) 放電均衡管理

電池組充電后使電池靜置2 h再進(jìn)行放電均衡管理實(shí)驗(yàn)。電池電源放電均衡管理實(shí)驗(yàn)包括3種情況：無(wú)均衡管理、放電截止電壓均衡管理(指電池組中某節(jié)弱電池達(dá)到放電截止電壓時(shí)進(jìn)行均衡管理)、動(dòng)態(tài)均衡管理。分析比較3種情況下放電時(shí)間、電池組端電壓變化情況。圖14(a)為無(wú)均衡管理的單體電池放電電壓變化曲線圖，圖14(b)為放電截止電壓均衡管理的單體電池放電電壓變化曲線圖，圖14(c)為動(dòng)態(tài)均衡管理的電梯電池端電壓變化曲線圖。

圖14 放電均衡管理時(shí)電池單體端電壓變化圖Fig.14 Diagram of battery cells voltages in discharge equalization management

由圖14可知，在無(wú)均衡管理時(shí)，系統(tǒng)停止放電時(shí)各電池單體電壓極差為265 mV，系統(tǒng)放電時(shí)間為3 529 s，放出總電量為117.63 A·h；放電截止電壓均衡管理時(shí)，系統(tǒng)放電時(shí)間為4 079 s，各電池單體電壓極差為242 mV(不含冗余電池)，系統(tǒng)放出電量為136.8 A·h；動(dòng)態(tài)均衡管理時(shí)，系統(tǒng)停止放電時(shí)各電池單體電壓極差為200 mV，系統(tǒng)放電時(shí)間為5 239 s，系統(tǒng)放出電量為177.448 2 A·h；加入升壓變換器后，系統(tǒng)停止放電時(shí)各電池單體電壓極差為108 mV，系統(tǒng)放電時(shí)間為5 274 s，系統(tǒng)放出電量為177.556 2 A·h。因此，有均衡管理電池系統(tǒng)與無(wú)均衡管理電池系統(tǒng)相比，放電時(shí)間延長(zhǎng)1 745 s，可用容量提高50.94%；與放電截止電壓均衡管理管理電池系統(tǒng)相比，放電時(shí)間延長(zhǎng)1 170 s，可用容量提高29.79%。

圖15為第19節(jié)電池單體未均衡和均衡管理的端電壓變化圖。由圖可知，當(dāng)?shù)?9號(hào)電池電壓達(dá)到1 200 mV時(shí)放電速度加快，在采用主動(dòng)均衡管理后，當(dāng)?shù)?9號(hào)電池電壓在電池組中電壓最小時(shí)，重構(gòu)旁路第19號(hào)電池，使之暫時(shí)不工作，以延長(zhǎng)第三節(jié)電池的壽命，并使系統(tǒng)放電時(shí)間延長(zhǎng)1 665 s，系統(tǒng)放出電量增長(zhǎng)47.18%。

圖15 有無(wú)均衡管理時(shí)第19號(hào)電池端電壓變化對(duì)比Fig.15 Comparison of battery cell No.19 with and without equalization management

3) 5 A恒流放電均衡

為了比較不同放電電流下電池電源均衡管理效果，本次實(shí)驗(yàn)再選用5 A電流對(duì)電池組放電，圖16為5 A電流放電時(shí)各電池單體端電壓變化曲線。圖17為在不同狀態(tài)下單體電池放出電量對(duì)比圖。在5 A放電時(shí)采用均衡管理的電池組放出總電量為177.556 2 A·h，在6 A放電時(shí)均衡管理電池組放出總電量為176.700 6 A·h。在5 A和6 A放電時(shí)，各電池單體放出電量差不多，6 A單體電池放電量比5 A多 0.855 6 A·h，則均衡控制策略可適用于不同放電電流。

圖16 采用均衡管理的5 A恒流放電時(shí)各電池單體電壓變化圖Fig.16 Voltage variation curves of battery cells in the case of 5 A constant current discharge with equalization management

圖17 在6 A放電未均衡管理、5 A與6 A放電均衡管理時(shí)電池單體放出電量對(duì)比圖Fig.17 Comparison of discharged electric quantity of battery cells in discharge of 6 A without equalization management, and discharge of 5 A and 6 A with equalization management

5 結(jié) 論

1)提出一種容錯(cuò)航空電池電源系統(tǒng)方案

針對(duì)航空電池電源故障隔離問(wèn)題，提出基于動(dòng)態(tài)重構(gòu)控制的航空蓄電池電源容錯(cuò)系統(tǒng)方案，以提高電池電源可靠性、安全性與容錯(cuò)能力，系統(tǒng)容錯(cuò)次數(shù)與增加的冗余電池?cái)?shù)量相等，容錯(cuò)重構(gòu)控制時(shí)間小于0.1 μs。新系統(tǒng)方案也為實(shí)施新型電池電源均衡管理提供了支撐。

2)提出一種新型電池電源均衡管理方法

針對(duì)現(xiàn)有的蓄電池能量均衡管理的缺點(diǎn)，為了解決電池組中電池單體之間不一致性難題，采用一種基于動(dòng)態(tài)重構(gòu)的主動(dòng)電池均衡管理方法。

① 通過(guò)充電均衡管理實(shí)驗(yàn)可知，對(duì)于有很大不一致性的電池組，可以使每節(jié)電池單體達(dá)到充電截止電壓，電池組充電截止時(shí)，各個(gè)電池單體之間的最大端電壓極差為10 mV，相較于未均衡前減少了94.9%，充入電量提高79.1%。通過(guò)循環(huán)均衡實(shí)驗(yàn)可知，隨著電池循環(huán)充放電均衡管理次數(shù)的增加，電池組整體存儲(chǔ)電量增加。

② 由放電時(shí)動(dòng)態(tài)均衡管理實(shí)驗(yàn)可知，系統(tǒng)停止放電時(shí)各電池端電壓極差為108 mV，放電時(shí)間為5 274 s。相較于未均衡管理前，各電池單體電壓極差減少59.25%，可用容量提高50.94%。

若要求放電均衡管理時(shí)各個(gè)電池單體的端電壓差越小(對(duì)應(yīng)電池動(dòng)態(tài)重構(gòu)控制電壓閾值設(shè)置小)，則電池單體動(dòng)態(tài)重構(gòu)就越頻繁。

③ 基于動(dòng)態(tài)重構(gòu)的電池電源均衡管理方法適用于充放電工作大電流情況下的蓄電池快速均衡管理，無(wú)均衡能量損失，無(wú)需額外的均衡電路，能延長(zhǎng)電池單體與蓄電池組的使用壽命。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王友仁, 梁嘉弈, 黃薛， 等. 航空蓄電池能量均衡技術(shù)研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 2017, 38(5): 216-225.

WANG Y R, LIANG J Y, HUANG X, et al. Research of energy equalization technology for aircraft battery[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2017, 38(5): 216-225 (in Chinese).

[2] 劉紅銳, 張昭懷. 鋰離子電池組充放電均衡器及均衡策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(8): 186-192.

LIU H R, ZHANG Z H. The equalizer of charging and discharging and the balancing strategies for lithium-ion battery pack[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(8): 186-192 (in Chinese).

[3] SONG C, LIN N, WU D. Reconfigurable battery techniques and systems: A survey[J]. IEEE Access, 2016, 25(4): 1175-1189.

[4] KIM J W, HA J I. Cell balancing method in flyback converter without cell selection switch of multi-winding transformer[J]. Journal of Electrical Engineering & Technology, 2016, 11(2): 367-376.

[5] CHEN Y, LIU X, CUI Y, et al. A multiwinding transformer cell-to-cell active equalization method for lithium-ion batteries with reduced number of driving circuits[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(7): 4916-4929.

[6] YUN L S, CHENG H Z, NA X C, et al. A cell-to-cell battery equalizer with zero-current switching and zero-voltage gap based on quasi-resonant LC converter and boost converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 30(7): 3731-3747.

[7] LEE K M, LEE S W, CHOI Y G, et al. Active balancing of Li-ion battery cells using transformer as energy carrier[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(2): 1251-1257.

[8] 徐云飛, 肖湘寧, 孫雅旻, 等. 級(jí)聯(lián)雙極型大容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制策略[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2016, 36(8): 103-109.

XU Y F, XIAO X N, SUN Y M, et al. Large-capacity cascaded bipolar BESS and its control strategy[J]. Electric Power Automation Equipment, 2016, 36(8): 103-109 (in Chinese).

[9] KIM T-H, PARK N-J, KIM R-Y, et al. Low cost multiple zero voltage/zero current switching battery equalization circuit with single soft-switching resonant cell[C]∥Proceedings of the Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC), 2012: 419-424.

[10] BARTLETT A, MARCICKI J, ONORI S, et al. Electrochemical model-based state of charge and capacity estimation for a composite electrode lithium-ion battery[J]. IEEE Transactions on Control Systems Technology, 2016, 24(2): 384-399.

[11] 魏克新, 陳峭巖. 基于多模型自適應(yīng)卡爾曼濾波法的電動(dòng)汽車電池荷電狀態(tài)估計(jì)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2012, 32(31): 19-26.

WEI K X, CHEN Q Y. Electric vehicle battery SOC estimation based on multiple-model adaptive kalman filter[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(31): 19-21 (in Chinese).

[12] SONG C, ZHANG J C, SHARIF H, et al. Dynamic reconfigurable multi-cell battery: A novel approach to improve battery performance[C]∥2012 Twenty-Seventh Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). Piscataway, NJ: IEEE Press, 2012: 439-442.

[13] LIN N, SONG C, WU D .A novel low-cost online state of charge estimation method for reconfigurable battery pack[C]∥2016 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). Piscataway, NJ: IEEE Press, 2016: 3189-3192.

[14] KIM T, QIAO W, QU L Y. Self-reconfigurable multicell batteries[C]∥2011 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2011: 3549-3555.

[15] MARTIN W, MARTIN P. An efficient implementation of a reconfigurable battery stack with optimum cell usage[C]∥International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management, 2016: 1-6.

[16] MORSTYN T, MOMAYYEZAN M, HREDZAK B, et al. Distributed control for state-of-charge balancing between the modules of a reconfigurable battery energy storage system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(11): 7986-7995.

[17] KIM T, QIAO W, QU L Y. Series-connected reconfigurable multicell battery: A novel design towards smart batteries[C]∥2010 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition. Piscataway, NJ: IEEE Press, 2010: 4257-4263.

[18] JIAN J Y, CHANG C S, MOO C S, et al. Charging scenario of serial battery power modules with buck-boost converters[C]∥2014 International Power Electronics Conference, 2014: 3928-3932.

[19] YE D, WU T H, CHEN C F, et al. Battery isolation mechanism for buck-boost battery power modules in series[C]∥2016 4th International Symposium on Environmental Friendly Energies and Applications (EFEA), 2016:415-417.

[20] BOUCHIMA N, SCHNIERLE M, SCHULTE S, et al. Active model-based balancing strategy for self-reconfigurable batteries[J]. Journal of Power Sources, 2016, 322: 129-137.

[21] MOMAYYEZAN M, HREDZAK B, AGELIDIS V G. Integrated reconfigurable converter topology for high-voltage battery systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(3): 1968-1979.