胡治國(guó) 司少康
(河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,焦作454000)
主題詞:新能源汽車 BMS SOC估測(cè) 均衡管理方法
BMS Battery Management System
SOC State of Charge
OCV Open Circuit Voltage
SVM Support Vector Machine
NEV New Energy Vehicle
在環(huán)境和能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的大環(huán)境下,在世界各國(guó)政府大力扶持下,電動(dòng)汽車作為滿足節(jié)能減排的要求的方案得到了快速發(fā)展,成為汽車工業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。電池管理系統(tǒng)(Battery Management System,BMS)是電動(dòng)汽車最重要的部分之一[1-2],它的主要作用包括以下4點(diǎn):
(1)對(duì)參數(shù)在線觀測(cè);
(2)荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)估測(cè);
(3)電池均衡管理和熱管理;
(4)CAN總線通信[3]。
其中,準(zhǔn)確估測(cè)SOC和電池均衡管理是BMS的核心功能,也是優(yōu)化系統(tǒng)能量管理,提高動(dòng)力電池的使用效率,延長(zhǎng)電池使用壽命的關(guān)鍵。如果對(duì)SOC估測(cè)不準(zhǔn)確,會(huì)導(dǎo)致SOC大的波動(dòng),從而減少動(dòng)力電池的循環(huán)壽命。如果不對(duì)電池進(jìn)行均衡管理,則會(huì)損害電池的使用壽命和工作效率。本文旨在對(duì)電池管理系統(tǒng)中SOC估測(cè)和電池均衡管理的方法進(jìn)綜述與分析,為未來(lái)工作提供理論性的可靠參考。
SOC是不能直接測(cè)量出來(lái)的,需要電池的等效電路來(lái)對(duì)其進(jìn)行在線估測(cè)。為了得到精確的SOC值,先把電池額定容量C設(shè)置在溫室狀態(tài)下,以C/30倍率充電到滿充時(shí)刻的最大安時(shí)數(shù)[4]。Ct(t)代表剩余容量,C/30倍率到t時(shí)刻的安時(shí)數(shù),如式(1)。
當(dāng)t=0 時(shí),SOC初始值為100%,I(t)為t時(shí)間的電流,放電狀態(tài)時(shí)刻,I>0。
電池需要建立電路模型才便于計(jì)算分析,以下為3種典型的等效電路模型:
(1)Rint模型;
(2)Thevenin模型;
(3)PNGV模型。
SOC估測(cè)是評(píng)判電池管理系統(tǒng)性能的最重要參數(shù)之一[5],電荷狀態(tài)的在線估算有很多比較熟悉的方法,每個(gè)方法都有優(yōu)缺點(diǎn)和特定的應(yīng)用范圍,以下簡(jiǎn)述主要SOC估測(cè)方法。
該方法是SOC估測(cè)法中比較簡(jiǎn)單的一種方法,明確開(kāi)始時(shí)刻的SOC值,即可通過(guò)安時(shí)積分法的數(shù)學(xué)表達(dá)式算出當(dāng)前時(shí)間的SOC值,如式(2)。
式中,SOCT為t時(shí)刻的剩余電量;SOC?為初始值;t為電流瞬時(shí)值;C為電池額定容量。
該方法使用方便,比較常用,但它也有以下缺點(diǎn)。第一,使用該方法必須明確SOC的初值SOC?,該值可以在電池充滿電后并放置一段時(shí)間即可測(cè)得。第二,電流的噪聲會(huì)使SOC估測(cè)的準(zhǔn)確值發(fā)生偏離造成運(yùn)算誤差影響。因此,它不能單獨(dú)使用必須與其他算法一起使用才能保證其準(zhǔn)確性。
改良的卡爾曼濾波算法有其良好的適應(yīng)性和極高的準(zhǔn)確性,應(yīng)用越來(lái)越廣泛。它可以對(duì)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)給出最優(yōu)估算。想利用卡爾曼濾波法對(duì)電池SOC進(jìn)行最優(yōu)化估算,必須要運(yùn)用到卡爾曼濾波的遞推估測(cè)方程來(lái)觀察方程釋放出來(lái)的狀態(tài)信息,并把上一時(shí)刻的估算值與當(dāng)前時(shí)刻觀測(cè)的數(shù)值進(jìn)行在線更新,除去系統(tǒng)帶來(lái)的誤差與干擾,達(dá)到理想效果,如式(3)、式(4)。
其中,XK是系統(tǒng)狀態(tài)變量,UK是系統(tǒng)的輸入變量,yk系統(tǒng)狀態(tài)輸出量,f(xk,uk)與g(xk,uk)是電池模型確定的非線性方程,在估算時(shí)進(jìn)行線性化。
卡爾曼濾波算法的優(yōu)點(diǎn)是適合于電流波動(dòng)比較劇烈的混合動(dòng)力汽車電池SOC的估測(cè),它可以給出SOC的估測(cè)誤差值。但是,它的缺點(diǎn)是如果SOC的估算值越高,電池模型就越復(fù)雜,計(jì)算量就比一般的計(jì)算量大很多,而且它受溫度,自放電率和放倍率的影響大。
人工智能方向中最重要的分支,一種是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)另一種是模糊邏輯推理。所謂模糊邏輯推理就是以人的思想、思維方式進(jìn)行定點(diǎn)分析與推導(dǎo),具有很強(qiáng)的自處理能力;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法主要結(jié)構(gòu)可概括為3層:
(1)輸入層
(2)隱含層
(3)輸出層
它具有非線性、自學(xué)習(xí)特點(diǎn),可以整合來(lái)自不同的電池?cái)?shù)據(jù),并確定各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。利用模糊邏輯推理與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的并行結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)能力估測(cè)SOC[6],如圖1所示。
圖1 模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
開(kāi)路電壓法是比較簡(jiǎn)單的測(cè)量方法,它可以利用電池電動(dòng)勢(shì)來(lái)確定電池的SOC[7]。電池的SOC與開(kāi)路電壓(Open Circuit Voltage,OCV)有良好的線性關(guān)系,開(kāi)路電壓法即是利用OCV-SOC這一穩(wěn)定的線性關(guān)系進(jìn)行SOC估測(cè)[8]。OCV無(wú)法直接測(cè)量得出,無(wú)法用于車輛SOC實(shí)時(shí)估算。所以,它只適用在未工作狀態(tài)時(shí)刻的電池使用[9](圖2)。
在非線性估計(jì)時(shí),支持向量機(jī)(Support Vector Machine,SVM)估測(cè)精確度比最小二乘法還高,它可以利用數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行最優(yōu)化并將結(jié)果轉(zhuǎn)化成為支持向量,只要它可以很好的優(yōu)化,那么該算法可以提供較高的SOC估測(cè)精度[10]。
圖2 開(kāi)路電壓法
以上各個(gè)SOC在線估測(cè)算法的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)為如表1所示。
表1 SOC估測(cè)算法的比較
新能源電動(dòng)汽車的電池均衡方法有很多,按傳統(tǒng)分類法可為2大類:
(1)被動(dòng)均衡
(2)主動(dòng)均衡
被動(dòng)均衡是用電阻耗能元件并聯(lián)在電池電路中,使電壓高的一方電池能量轉(zhuǎn)化成熱能散發(fā)出去,實(shí)現(xiàn)電池間的均衡。這種方式叫做能耗型均衡,由于它是把能量轉(zhuǎn)化成熱能造成能量浪費(fèi),所以,該方法使用較少。主動(dòng)均衡通過(guò)電感、電容、變換器從高電壓的電池中向低電壓的電池中進(jìn)行輸送[11],這樣通過(guò)實(shí)現(xiàn)電池間的均衡,這種操作叫做非耗散型均衡。它可以分為2種方法:
(1)集中式均衡:主要采用正激變壓器和反激變壓器
(2)分布式均衡:主要包括Boost-Buck 變換和Cuk均衡法
電池均衡方法結(jié)構(gòu)如圖3所示。
被動(dòng)均衡結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉。只是在電池2 段并聯(lián)上電阻,當(dāng)一方電池能量高于另一方時(shí),閉合開(kāi)關(guān)使能量高的電池通過(guò)電阻轉(zhuǎn)化成熱能讓各個(gè)電池組達(dá)到一致平衡。這種方式叫做電阻均衡法,但這種方法缺點(diǎn)是效率比一般方法效率低而且還會(huì)造成電池能量消耗大。
2.1.1 固定電阻分流法
固定電阻分流法是指把需要均衡的電池與電阻進(jìn)行并聯(lián),中間不需要任何輔助開(kāi)關(guān),直接把能量較高的電池能量轉(zhuǎn)換成熱能消耗掉,從而使各個(gè)電池的能量保持一致(圖4)。
2.1.2 開(kāi)關(guān)電阻分流法
開(kāi)關(guān)電阻分流法是指把需要均衡的電池與電阻進(jìn)行并聯(lián),中間需要加輔助開(kāi)關(guān),當(dāng)某個(gè)電池需要均衡時(shí),可以直接閉合它的開(kāi)關(guān),使電池與電阻導(dǎo)通,繼而達(dá)到均衡效果(圖5)。
圖3 電池均衡方法結(jié)構(gòu)
主動(dòng)均衡方法也可叫做為能量轉(zhuǎn)移法,在充放電時(shí),通過(guò)輔助設(shè)備把能量從高電位轉(zhuǎn)移至低電位,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電池組的均衡充放電過(guò)程[12]。按照輔助元件的不同,又可分為開(kāi)關(guān)電容均衡法與DC-DC 變換器式均衡法。
圖4 固定電阻分流均衡電路
圖5 開(kāi)關(guān)電阻分流均衡電路
2.2.1 開(kāi)關(guān)電容(電感)均衡法
開(kāi)關(guān)電容(電感)均衡法是指相鄰電池之間并聯(lián)一個(gè)電容器件。通過(guò)開(kāi)關(guān)器件使電池之間來(lái)回變換電容從而實(shí)現(xiàn)高能量電池向低能量電池轉(zhuǎn)移能量。圖6 為開(kāi)關(guān)電容(電感)均衡方法的電路圖,它由n 個(gè)MOSFET 管組成,以控制2 個(gè)電池組之間的能量均衡。當(dāng)電池V1<V2時(shí),M2導(dǎo)通M1關(guān)斷。V2與C1并聯(lián),此時(shí)電池V2 的能量通過(guò)開(kāi)關(guān)M2流入電容C1中;開(kāi)關(guān)M2關(guān)斷M1導(dǎo)通,電池V1與C1并聯(lián),C1中的能量通過(guò)開(kāi)關(guān)M1傳遞給電池V1。完成這個(gè)過(guò)程以后,以此類推,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的關(guān)斷和導(dǎo)通來(lái)實(shí)現(xiàn)電容的能量傳遞。
圖6 開(kāi)關(guān)電容均衡電路
這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于操作。但是,如果均衡電流過(guò)大則不能使用該方法,此方法只適用于小電流均衡,因此,它具有一定的局限性。
2.2.2 DC/DC變換器式均衡法
DC/DC 變換器式均衡法是利用開(kāi)關(guān)管等半導(dǎo)體器件并結(jié)合儲(chǔ)能元件形成的均衡管理控制策略,通過(guò)算法控制開(kāi)關(guān)管的通斷來(lái)達(dá)到調(diào)節(jié)功率的目的。DC/DC 變換器可將直流電壓轉(zhuǎn)化為可調(diào)的直流電壓,其中Buck-Boost、Cuk、Buck、Boost 是利用儲(chǔ)能元件使能量從高側(cè)向低側(cè)流動(dòng)。此過(guò)程為分布式也可稱為直流斬波電路。正激型、反激型、半橋型能量少的一側(cè)電池所補(bǔ)充的能量是來(lái)自整個(gè)電池組中的能量,稱為集中式變換器,也稱為隔離型變換器[13]。DC/DC 變換器均衡法的優(yōu)點(diǎn)是均衡效果好,控制靈敏度高,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比其他均衡電路復(fù)雜并且成本高。以下是比較常見(jiàn)的拓?fù)鋱D。
(1)分布式均衡電路
分布式均衡電路有Buck-Boost 變換器均衡電路與Cuk 均衡電路。分布式均衡結(jié)構(gòu)比其他均衡電路復(fù)雜,它是通過(guò)相鄰單體電池之間通過(guò)均衡器進(jìn)行均衡操作從而實(shí)現(xiàn)電池組之間的能量平衡。
圖7 為Buck-Boost 變換器均衡電路方法,可將高容量電池中的電能通過(guò)DC/DC 變換器儲(chǔ)存至儲(chǔ)能裝置中,而后轉(zhuǎn)移至低容量單體電池。Buck-Boost 電路的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)能量在單體間單向或雙向流動(dòng)[14]。Buck-Boost 變換器均衡電路方法無(wú)能量損失,能靈活地轉(zhuǎn)換電壓大小實(shí)現(xiàn)充電、放電狀態(tài)下的均衡。在大功率運(yùn)用和高頻工作下,可節(jié)約空間、減小設(shè)備體積,該方法適合運(yùn)用在空間較小的地方。
圖7 Buck-Boost均衡電路
圖8為Cuk均衡電路,該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,但均衡速度快,方向可以雙向傳輸。均衡開(kāi)啟之前,電容C的電壓Vcj等于單體電池Bi-1的端電壓VBi-1加上單體電池Bi的端電壓VBi,即Vcj=VBi-1+VBi。Cuk 均衡器單元的串聯(lián)電池組的整體均衡電路拓?fù)鋱D,電路包含n個(gè)串聯(lián)的單體電池(或電池組)和n-1個(gè)Q開(kāi)關(guān)。假設(shè)當(dāng)Cuk 均衡電路中的VBi-1高于VBi時(shí)Q1關(guān)閉,Bi-1-Li-1- MI-1形成閉環(huán)BI-1的電能經(jīng)過(guò)LI-1時(shí)一部分電能被存儲(chǔ)起來(lái)了。此時(shí),Bi-1的電能下降。
(2)集中式均衡電路
常見(jiàn)的集中式均衡電路主要有正激式均衡電路與反激式均衡電路[15]。集中式電路是通過(guò)一個(gè)多輸出均衡器從而實(shí)現(xiàn)在電池組內(nèi)能量之間的轉(zhuǎn)移,把電能高的能量向電能低的電池轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)電池組能量均衡。
圖8 Cuk均衡電路
圖9所示為多繞組輸入的正激式均衡電路。每個(gè)單體電池都有均衡器,當(dāng)單體電池電壓高于平均值時(shí),其場(chǎng)效應(yīng)管啟動(dòng),把單體電壓高的能量送到電池組上。該電路場(chǎng)效應(yīng)管比較多,結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜而且成本高。
圖9 正激式均衡電路
圖10 所示是多繞組輸出反激式均衡電路。通過(guò)原邊副邊匝數(shù)比與場(chǎng)效應(yīng)管通斷,實(shí)現(xiàn)讓電池電壓低的一側(cè)獲得較高的電流能量。該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,容易控制。
圖10 反激式均衡電路
表2 各種均衡方式的比較
新能源電動(dòng)汽車要在市場(chǎng)上大規(guī)模推廣,其電池性能與壽命的提高是關(guān)鍵。純粹提高單體電池壽命達(dá)到電池組的壽命是不現(xiàn)實(shí)的,提高電池組均衡效率和精度,才能最大限度的提高電池組使用壽命。
本文所述的各種動(dòng)力電池均衡控制策略和均衡方法各有優(yōu)劣。目前為止,沒(méi)有一個(gè)均衡方法可以同時(shí)兼顧均衡速度,均衡效率。均衡電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于操作的均衡器對(duì)電池組的影響效果不好,然而,靈活性好,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的均衡器,成本高且不易控制。
為解決上述問(wèn)題,解決動(dòng)力電池組均衡控制發(fā)展是新方向。首先,研究新的均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可以利用軟開(kāi)關(guān),它體積小、損耗小、均衡控制模塊智能化。其次,SOC是不能直接測(cè)量出來(lái)的,需要電池的等效電路來(lái)對(duì)其進(jìn)行在線估測(cè),目前常用的估測(cè)方法有安時(shí)積分法、卡爾曼濾波法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法,這些方法通常計(jì)算量大且不易實(shí)現(xiàn)。所以對(duì)這些估測(cè)方法進(jìn)行算法優(yōu)化可減少計(jì)算量來(lái)提高均衡模塊的效率、速度和準(zhǔn)確度,從而實(shí)現(xiàn)提高電池使用壽命。最后,綜合傳統(tǒng)均衡器的優(yōu)點(diǎn)把傳統(tǒng)均衡器混合均衡從中可以克服單個(gè)缺點(diǎn),實(shí)現(xiàn)均衡電路地高效運(yùn)行。