電動(dòng)車電池均衡控制的建模與分析
電動(dòng)汽車( 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(xiàn)的差異, 將能夠最大限度地發(fā)揮電池的效率、延長(zhǎng)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(dǎo)致的性能差異, 生產(chǎn)工藝和篩選標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)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(dú)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(zhuǎn)換而來(lái), 均衡能量在獨(dú)立于系統(tǒng)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) 。
如果忽略能量在線路中流動(dòng)的損失和能量轉(zhuǎn)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(jù)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(qū)別的前提下, 對(duì)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(duì)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(shì)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(zhuǎn)換, 通過(guò)獨(dú)立的充電, 為能量低的電池補(bǔ)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(shì)低而使得充電電流大, 根據(jù)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路和參數(shù)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(xiàn)所有電池能量都下降的現(xiàn)象, 也不會(huì)出現(xiàn)所有電池能量都上升的現(xiàn)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(jié)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(jié)果是能量快速得到補(bǔ)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, 宏觀表現(xiàn)為電池組的能量在所有單體電池之間實(shí)現(xiàn)了均衡分布和調(diào)整。該模型能夠根據(jù)單體電池能量狀態(tài)的高低差別, 實(shí)現(xiàn)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(jù)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(gòu)成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的半橋式逆變拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)。串聯(lián)電池組與該逆變電路構(gòu)成放電回路, 高頻逆變電路的設(shè)計(jì)使均衡模塊的效率達(dá)到85%以上。根據(jù)單體電池的數(shù)目設(shè)計(jì), T 有N 個(gè)副邊繞組, 每個(gè)副邊繞組和兩個(gè)快恢復(fù)二極管及一個(gè)電容構(gòu)成一路全波整流及濾波電路, 再與相對(duì)應(yīng)的單體電池構(gòu)成一路獨(dú)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(gòu)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(shù)完全相同, 因此T 的所有副邊繞組在設(shè)計(jì)上完全相同, 充電電壓Ui~ Un 相等。根據(jù)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(shù);N s 為高頻變壓器副邊繞組匝數(shù)。
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(diào)整高頻變壓器原邊繞組的匝數(shù)調(diào)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(jù)電池監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù), 可實(shí)時(shí)掌握電池組的不一致態(tài)勢(shì)及變化趨勢(shì), 及時(shí)確定需要接受充電均衡的電池?cái)?shù)目和均衡充放電力度。利用高頻變壓器的匝比調(diào)節(jié)和占空比調(diào)節(jié), 既可控制放電均衡的強(qiáng)度, 又可控制充電電壓的高低, 從而達(dá)到選擇電池組中接受充電均衡的電池單體和控制均衡強(qiáng)度, 實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均衡控制的目的。不同電池的充放電特性不同, 應(yīng)用本文的均衡策略, 還要依據(jù)充放電特性曲線確定合理的控制參數(shù)。
3 結(jié)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(nèi)構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng), 無(wú)需系統(tǒng)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(duì)均衡過(guò)程中的放電能量實(shí)現(xiàn)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(kuò)大的大功率放電過(guò)程中, 對(duì)落后電池給予及時(shí)的能量補(bǔ)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(zhuǎn)換裝置, 回收電池組自身的放電均衡能量, 并轉(zhuǎn)換成充電均衡能量, 從而構(gòu)成均衡能量的閉環(huán)單向流動(dòng)環(huán)路。根據(jù)單體電池能量狀態(tài)的不同, 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)了單體電池之間能量的動(dòng)態(tài)、比例流動(dòng)分配。根據(jù)電池的分散程度動(dòng)態(tài)、合理地選擇接受充電均衡的對(duì)象和調(diào)整均衡的強(qiáng)度, 通過(guò)調(diào)節(jié)高頻變壓器的匝比和功率開(kāi)關(guān)的占空比, 實(shí)現(xiàn)接受充電均衡電池的數(shù)目和均衡強(qiáng)度的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制, 智能調(diào)節(jié)每只電池的均衡充放電能量, 最終實(shí)現(xiàn)整組電池的均衡管理和控制。
評(píng)論