胡浪　喬俊叁

摘 要：目前電動(dòng)汽車都會(huì)采用到驅(qū)動(dòng)動(dòng)力強(qiáng)勁的鋰離子電池，在充電模式下保證鋰電子電池組實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡控制，有效推進(jìn)電動(dòng)汽車電力系統(tǒng)良性發(fā)展，提升電汽車整體性能。文章中所探討的是基于雙向Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主電路主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)，它其中基于荷電狀態(tài)SOC建立主要均衡判據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)主動(dòng)均衡控制策略的有效改進(jìn)。簡(jiǎn)單研究了充電模式下的鋰離子電池組主動(dòng)均衡控制電路設(shè)計(jì)方法，鋰離子電池組的SOC均衡控制策略，并對(duì)其設(shè)計(jì)控制方法仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：鋰離子電池組 主動(dòng)均衡控制 充電模式 SOC均衡控制策略

Research on Active Equalization Control Method of Li-ion Battery Pack in Charging Mode

Hu Lang，Qiao Junsan

Abstract：At present， electric vehicles use lithium-ion batteries with strong driving power. In the charging mode， the lithium-electronic battery packs are guaranteed to achieve active balance control， which effectively promotes the sound development of electric vehicle power systems and improves the overall performance of electric vehicles. The article discusses the main circuit active balance control system based on the two-way Buck-Boost topology. Among them， the main balance criterion is established based on the state of charge SOC， and the effective improvement of the active balance control strategy is realized. The design method of active balance control circuit of lithium-ion battery pack in charging mode and the SOC balance control strategy of lithium-ion battery pack are briefly studied， and the simulation results of the design control method are analyzed.

Key words：li-ion battery pack， active balance control， charging mode， SOC balance control strategy

鋰離子電池屬于絕對(duì)的無(wú)污染、清潔電壓型儲(chǔ)能器件，其鋰離子電池組主要用于便攜式電氣、電動(dòng)汽車以及電力監(jiān)控系統(tǒng)之中。就以新能源電動(dòng)汽車為例，它主要為汽車電源系統(tǒng)提供整車動(dòng)力?？紤]到電池組中單節(jié)鋰離子電池之間是存在性能差異的，因此電池組在進(jìn)行多次循環(huán)充放電后就會(huì)出現(xiàn)單節(jié)電池間電荷量不平衡問(wèn)題。此時(shí)需要分析充電模式下的鋰離子電池組主動(dòng)均衡控制技術(shù)模式，有效延長(zhǎng)電池組的整體使用壽命，同時(shí)也降低電池組的平均使用成本。

1 鋰離子電池組主動(dòng)均衡控制技術(shù)的基本思路

針對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池組的主動(dòng)均衡控制技術(shù)應(yīng)用主要需要正確選取電池組，并賦予其均衡一致性技術(shù)準(zhǔn)則。在選取均衡一致性準(zhǔn)則過(guò)程中，需要對(duì)其電壓進(jìn)行分析，如果鋰離子電池組中電池使用循環(huán)次數(shù)過(guò)多，則需要對(duì)電池中的隔膜、電解液濃度、極板厚度等等進(jìn)行分析，結(jié)合電壓判斷均衡對(duì)開(kāi)關(guān)管頻信號(hào)進(jìn)行分析，了解電池中能量的轉(zhuǎn)換頻率。但在該過(guò)程中，必須考慮到開(kāi)關(guān)損耗的明顯增大問(wèn)題，同時(shí)它也會(huì)加速電池壽命退化，當(dāng)電池的荷電狀態(tài)（SOC）處于相對(duì)較低水平時(shí)，即電池剩余容量與電池額定容量比值較低，此時(shí)就能客觀反映出電池組的不一致性。此時(shí)需要基于卡爾曼濾波算法對(duì)狀態(tài)空間中的鋰離子電池狀態(tài)進(jìn)行分析，為其設(shè)計(jì)均衡管理系統(tǒng)，改善均衡控制策略。在構(gòu)建簡(jiǎn)單高效的鋰離子電池組過(guò)程中，要追求構(gòu)建其主動(dòng)均衡機(jī)制，它其中針對(duì)電感式均衡電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確保單節(jié)電池SOC電池組均衡一致性準(zhǔn)則發(fā)揮到位。另外，針對(duì)鋰離子電池等效電路模型進(jìn)行分析，深度辨識(shí)、更新其參數(shù)內(nèi)容，確保鋰離子電池SOC主動(dòng)均衡控制策略實(shí)施到位，最終開(kāi)發(fā)出一套鋰離子電池組能量均衡管理系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)[1]。

在充電模式下，構(gòu)建鋰離子電池組的均衡充電電路模式可追求建立重要的電池特征參數(shù)評(píng)價(jià)體系，均衡電池組變量。首先，需要要分析控制均衡電路，它是具有實(shí)時(shí)判據(jù)性與高精度性的，這些數(shù)據(jù)屬性都能用來(lái)表示電池的不一致性狀態(tài)。與此同時(shí)，也需要分析均衡變量變化背景下的均衡現(xiàn)象內(nèi)容，了解均衡變量導(dǎo)致過(guò)均衡現(xiàn)象，了解充電均衡的不穩(wěn)定狀態(tài)?？傮w來(lái)說(shuō)，基于單體電池的放電深度需要結(jié)合荷電狀態(tài)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行分析，追求輸入輸出參數(shù)函數(shù)，對(duì)它其中的非線性、容錯(cuò)性與魯棒性進(jìn)行分析，最終真正總結(jié)得出預(yù)測(cè)電池的荷電狀態(tài)。從均衡充電系統(tǒng)分析看來(lái)，它主要基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與SOC估算方法進(jìn)行分析，確保鋰離子電池的實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)進(jìn)行快速、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)分析，最大限度提高鋰離子電池組的整體均衡精度與均衡效率[2]。

2 鋰離子電池組主動(dòng)均衡控制電路設(shè)計(jì)與分析

（1）SOC預(yù)測(cè)分析。針對(duì)鋰離子電池主動(dòng)均衡控制電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，它主要利用到了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)配合卡爾曼濾波算法，針對(duì)狀態(tài)方程配合UT技術(shù)處理均值內(nèi)容，建立非線性系統(tǒng)如下：

此時(shí)假定狀態(tài)為高斯分布隨機(jī)變量中的過(guò)程噪聲與測(cè)量噪聲進(jìn)行分析，明確統(tǒng)計(jì)狀態(tài)，計(jì)算獲得Sigma點(diǎn)，此時(shí)再計(jì)算卡爾曼增益系數(shù)K，明確狀態(tài)變量與協(xié)方差。對(duì)電流時(shí)間積分進(jìn)行分析，建立系統(tǒng)狀態(tài)方程，優(yōu)化狀態(tài)預(yù)測(cè)過(guò)程。在狀態(tài)預(yù)測(cè)過(guò)程中，調(diào)整輸出測(cè)量值與比較值誤差，建立SOC狀態(tài)預(yù)測(cè)更新誤差，明確系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測(cè)過(guò)程[3]。

（2）SOC優(yōu)化預(yù)測(cè)調(diào)整。在對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行驗(yàn)證過(guò)程中也要進(jìn)行SOC優(yōu)化預(yù)測(cè)，借此了解鋰離子電池組的充放電效果。具體來(lái)講，主要是針對(duì)鋰離子電池的充放電過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這里選用容量為2600mAh的鋰離子電池展開(kāi)充放電實(shí)驗(yàn)，在電池放電完全停止后，在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間靜置后，對(duì)開(kāi)路電壓SOC值進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)內(nèi)容。其目的是為了有效減少計(jì)算量，選擇變量系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)變量進(jìn)行分析，建立一套SOC預(yù)測(cè)系統(tǒng)，明確其狀態(tài)過(guò)程。在該過(guò)程中，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)估算SOC值結(jié)果，對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的估算結(jié)構(gòu)誤差均方根進(jìn)行分析，減小其誤差值。

在2600mAh鋰電池充放電實(shí)驗(yàn)中，主要對(duì)SOC估算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者是相互吻合的，要在網(wǎng)絡(luò)SOC估算過(guò)程中改進(jìn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，估算動(dòng)力電池SOC精度，通過(guò)改進(jìn)算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)SOC方法進(jìn)行分析，進(jìn)而獲得良好的預(yù)測(cè)效果[4]。

（3）主電路有效控制。針對(duì)不同能量傳遞方式進(jìn)行分析，了解均衡充電技術(shù)并研究均衡電路，它其中包含了主動(dòng)均衡與被動(dòng)均衡兩種，即建立雙向Buck-Boost交換器均衡結(jié)構(gòu)，明確能量損耗過(guò)程，建立基于變換器均衡結(jié)構(gòu)的雙向能量轉(zhuǎn)移通道，對(duì)電池單體將的儲(chǔ)能電感能量進(jìn)行優(yōu)化。整體看來(lái)，它的電路拓?fù)鋱D相對(duì)簡(jiǎn)單，損耗較小，適用于電池組間拓?fù)渚怆娐?。在均衡主電路采用雙向Buck-Boost拓?fù)潆娐?，結(jié)合電壓大小對(duì)能量流通過(guò)程進(jìn)行限制，保證雙向主動(dòng)均衡達(dá)標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，其拓?fù)潆娐分械碾娮釉窍鄬?duì)廉價(jià)易得的，且它的拓展性也相對(duì)較好。對(duì)電池組若干小模塊進(jìn)行分析過(guò)程中，要規(guī)避均衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)這一問(wèn)題，對(duì)組內(nèi)電池電路實(shí)施均衡調(diào)整，保證模塊數(shù)量上層均勻電路有效增加。該小模塊作為均衡充電可作為一個(gè)單體，其模塊數(shù)量相當(dāng)有限，基于此建立雙向Buck-Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1[5]。

3 鋰離子電池組SOC主動(dòng)均衡控制策略分析

首先要對(duì)鋰離子電池組SOC進(jìn)行預(yù)估，建立單節(jié)鋰離子電池SOC在線估算機(jī)制，建立一天簡(jiǎn)單的等效電路模型，對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)并更新。在該過(guò)程中，也要分析鋰離子電池的實(shí)際工作狀態(tài)，例如分析它的外部動(dòng)態(tài)特性、電動(dòng)勢(shì)以及電池歐姆內(nèi)阻，確保放電電流流向?yàn)檎较?。如此?jì)算可保證計(jì)算得出狀態(tài)量、觀測(cè)量與控制量，明確不同量指標(biāo)中的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)電池端電壓相對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行深度研究。

其次要分析鋰離子電池SOC估算算法，對(duì)SOC狀態(tài)空間模型參數(shù)進(jìn)行更新調(diào)整，實(shí)現(xiàn)在線估算過(guò)程。SOC估算流程如下：

初始化→設(shè)置k+1時(shí)刻狀態(tài)向量→k+1時(shí)刻狀態(tài)向量估計(jì)→k+1時(shí)刻電池電壓、電流→誤差協(xié)方差>0.01，→k+1時(shí)刻SOC在線估計(jì)值→計(jì)算SOC值→結(jié)束

基于上述流程，對(duì)鋰離子電池性能測(cè)試數(shù)據(jù)與離線模型進(jìn)行分析，了解參數(shù)辨識(shí)結(jié)果，對(duì)狀態(tài)空間中的模型參數(shù)值進(jìn)行初始化分析，結(jié)合實(shí)際端電壓測(cè)量值對(duì)狀態(tài)量與誤差協(xié)方差實(shí)施實(shí)時(shí)更新，調(diào)整參數(shù)更新過(guò)程。

最后對(duì)SOC值偏差進(jìn)行分析，了解其均衡閾值進(jìn)行均衡控制，優(yōu)化調(diào)整硬件控制板與PC機(jī)通信內(nèi)容，對(duì)電池組充放電過(guò)程中的單節(jié)電池電壓、母線電流以及電池SOC信息進(jìn)行調(diào)整，最終建立鋰離子電池組能量均衡管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[6]。

4 鋰離子電池組SOC主動(dòng)均衡控制策略的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在鋰離子電池組SOC主動(dòng)均衡控制策略過(guò)程中創(chuàng)建仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，并基于充電模式下對(duì)其仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，了解均衡充電原理，明確其可行性研究過(guò)程，形成均衡充電電路體系。

總體來(lái)講，主要要通過(guò)未加入均衡模塊控制系統(tǒng)對(duì)電池充放電過(guò)程進(jìn)行調(diào)整，反復(fù)充電操作確保鋰離子電池組，了解其過(guò)負(fù)荷過(guò)程，避免鋰離子電池組中單節(jié)電池被損壞。此時(shí)，要基于仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果結(jié)束充電過(guò)程，確保電池滿充到位。在這里，需要建立均衡模塊，優(yōu)化充電過(guò)程，確保均衡模塊趨向一致性，明確荷電狀態(tài)變化過(guò)程，保證其平穩(wěn)有效，有效規(guī)避充放電現(xiàn)象過(guò)度情況，這對(duì)保護(hù)延長(zhǎng)鋰離子電池組使用壽命是非常有好處的[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

在充電模式下，對(duì)電動(dòng)機(jī)車鋰離子電池組的雙向主動(dòng)均衡控制，確保電池組不一致性進(jìn)行調(diào)整，保證充電安全性到位。該過(guò)程中，主要基于雙向Busk-Boost建立拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，優(yōu)化主動(dòng)均衡控制系統(tǒng)，然后進(jìn)行Matlab仿真試驗(yàn)，確保充電模式始終保證靜置模式，結(jié)合主動(dòng)均衡電路確保充電時(shí)間最大限度減少，提高鋰離子電池組的主動(dòng)均衡充電控制效率到位。

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