電動(dòng)車(chē)電池均衡控制的建模與分析

　　電動(dòng)汽車(chē)（ EV） 的電池組中， 單體電池的不一致性會(huì )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(guò)程中出現的差異， 將能夠最大限度地發(fā)揮電池的效率、延長(cháng)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致的性能差異， 生產(chǎn)工藝和篩選標準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(shí)存在剩余能量低和高的電池，因此高性能的均衡管理系統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(jiàn)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(dòng)匹配原理。該模型為每個(gè)單體電池配備了一個(gè)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換而來(lái)， 均衡能量在獨立于系統外界能量的閉合環(huán)路中流動(dòng)。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(xiàn)路中流動(dòng)的損失和能量轉換裝置的效率損失， 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(dòng)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(huì )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(dòng)過(guò)程中， 一方面， 通過(guò)整組電池的放電產(chǎn)生放電均衡的能量。在放電均衡過(guò)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(dòng)勢高， 實(shí)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(guò)能量的轉換， 通過(guò)獨立的充電， 為能量低的電池補充能量。在充電均衡的過(guò)程中， 剩余能量低的電池由于電動(dòng)勢低而使得充電電流大， 根據式（ 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(xiàn)路和參數完全相同， 則均衡能量的分配和流動(dòng)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(huì )出現所有電池能量都下降的現象， 也不會(huì )出現所有電池能量都上升的現象。一致性較好的電池， 剩余能量狀態(tài)始終動(dòng)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， 結果是能量快速得到補充， 從而也趨近于一致性較好的電池。實(shí)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(guān)表現為電池組的能量在所有單體電池之間實(shí)現了均衡分布和調整。該模型能夠根據單體電池能量狀態(tài)的高低差別， 實(shí)現電池組能量自動(dòng)的、比例的流動(dòng)和分配， 能量均衡過(guò)程具有高度智能性。

　　2 智能均衡的控制策略

　　根據上述模型， 提出一種逆變分壓動(dòng)態(tài)充放電均衡控制策略， 原理見(jiàn)圖2。

　　圖2 逆變分壓動(dòng)態(tài)充放電均衡控制原理圖

　　電容C1、C2， 功率開(kāi)關(guān)管（ IGBT） T1、T2 ， 多抽頭高頻變壓器T 構成了一個(gè)標準的半橋式逆變拓撲電路結構。串聯(lián)電池組與該逆變電路構成放電回路， 高頻逆變電路的設計使均衡模塊的效率達到85%以上。根據單體電池的數目設計， T 有N 個(gè)副邊繞組， 每個(gè)副邊繞組和兩個(gè)快恢復二極管及一個(gè)電容構成一路全波整流及濾波電路， 再與相對應的單體電池構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(guò)全波整流和濾波處理變換成低壓直流電， 為單體電池充電， 從而構成能量單向流動(dòng)的閉合環(huán)路。

　　在本文模型中， 所有充電單元的參數完全相同， 因此T 的所有副邊繞組在設計上完全相同， 充電電壓Ui~ Un 相等。根據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(kāi)關(guān)T 1 或T2 的開(kāi)通時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期的比值； N p 為高頻變壓器原邊繞組匝數；N s 為高頻變壓器副邊繞組匝數。

　　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(gè)相等的Uch實(shí)際上是Ut 的某個(gè)比例［ （ Ns / 2N p）×δ ］ 分壓； 另一方面， 在δ不變的條件下， 可以通過(guò)調整高頻變壓器原邊繞組的匝數調整匝比（ 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(guò)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(shí)在電池組中接受充電均衡的電池就越多， 反之亦然。

　　根據電池監測系統的數據， 可實(shí)時(shí)掌握電池組的不一致態(tài)勢及變化趨勢， 及時(shí)確定需要接受充電均衡的電池數目和均衡充放電力度。利用高頻變壓器的匝比調節和占空比調節， 既可控制放電均衡的強度， 又可控制充電電壓的高低， 從而達到選擇電池組中接受充電均衡的電池單體和控制均衡強度， 實(shí)現動(dòng)態(tài)均衡控制的目的。不同電池的充放電特性不同， 應用本文的均衡策略， 還要依據充放電特性曲線(xiàn)確定合理的控制參數。

　　3 結論

　　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構成閉環(huán)系統， 無(wú)需系統外部提供均衡能量， 在充放電和靜置狀態(tài)均可進(jìn)行， 并對均衡過(guò)程中的放電能量實(shí)現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大的大功率放電過(guò)程中， 對落后電池給予及時(shí)的能量補充， 一致性可始終保持在較高的水平； 提出了一種逆變分壓動(dòng)態(tài)充放電均衡控制策略。通過(guò)基于逆變分壓的能量轉換裝置， 回收電池組自身的放電均衡能量， 并轉換成充電均衡能量， 從而構成均衡能量的閉環(huán)單向流動(dòng)環(huán)路。根據單體電池能量狀態(tài)的不同， 自動(dòng)實(shí)現了單體電池之間能量的動(dòng)態(tài)、比例流動(dòng)分配。根據電池的分散程度動(dòng)態(tài)、合理地選擇接受充電均衡的對象和調整均衡的強度， 通過(guò)調節高頻變壓器的匝比和功率開(kāi)關(guān)的占空比， 實(shí)現接受充電均衡電池的數目和均衡強度的自動(dòng)調節與控制， 智能調節每只電池的均衡充放電能量， 最終實(shí)現整組電池的均衡管理和控制。