英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

系统的比较主动均衡：一种基于模型的定量分析方法

摘要：本文针对均衡锂离子电池不平衡能量的十种主动均衡电路进行了基于模型的定量比较分析。为描述锂电池长时间充/放电操作时的能量转移情况，提出一种平均电流主动均衡模型。中型电动汽车其中一部分是具有96个电池单元的电池组，我们用戴维南等效模型表示。在准静态仿真中，连续重复 FTP75 驱动周期，直到第一个电池单元从初始充满电状态到放电状态为止。比较了具有不同容量的新旧电池在均衡速度和电池效率方面的仿真结果。通过比较将电池电压，荷电状态和电池容量分别作为均衡变量的均衡策略，来研究控制算法对电池均衡效果的影响。比较均衡结果显示选择荷电状态和电池容量作为均衡变量更优于选择电池电压。针对每种均衡方法和每个控制变量都模拟两组100个电池单元随机容量分布下的均衡实验，得到了两种特定电池分布情况下的两次详细性能分析的结果。

关键词：主动均衡、电池管理系统、电池老化、电池差异、控制、电动汽车、储能、锂电池、建模、仿真

1.引言

电池系统由串联的锂离子电池组成，会受到单体电池能量、电池容量、荷电状态等不一致的影响。电池制造过程和工作环境会带来电池单元间的差异，这种单体间的不平衡会减少电池组的实际可用能量。当电池系统中只有一个锂离子电池单元过度充电或，就会导致电池组永久性损坏或加速电池老化。目前已经研究出被动均衡电路和主动均衡电路来均衡电池单体间的不平衡，以增加电池系统的可用能量^[1],[2]_。但特别的是，被动均衡仅在充电操作期间应用，来达到电池单体都充满电的状态。当某单体达到充电电压极限时，电池组将停止进一步充电，然后将多余的电池能量作为热量从其他未达到电池充电上限的单体中耗散掉。当所有电池单体均处于平衡状态时，充电过程可以继续进行，以便可以对所有电池再次充电并最终达到各自的充满电状态。当采用被动均衡时，具有最低能量电池的能量水平仍然决定着电池组的整体可用电池能量，并将导致电池组使用效率低下。

相反，主动均衡电路通过在电池单体之间传递能量，实现了在充电和放电操作期间能持续均衡电池单体间的能量水平。现有技术中的主动均衡电路的区别在于其互连结构和短时能量存储元件(例如，电容、电感器或变压器^[1],[2])。

主动均衡方法的优缺点在电路拓扑和定性分析方面都非常清楚。但是，由于均衡电路和驱动电路的时间常数不同，因此在系统层面上缺乏定量的整体研究。本文在整体电动汽车的背景下，基于先前的工作^[3]对电池主动均衡衡系统进行定量比较。通过验证和比较不同的控制策略来提高整体电池组效率，并增加仿真次数以验证主动均衡性能的方式来扩展对有源平衡系统的比较。用一种基于模型的方法来描述主动平衡电池系统，可以针对汽车应用进行整体研究。在以前的文献中，只进行了定性比较或者分析在内的主动均衡电路不够完整全面。

A.当前发展状况

并联电阻被动均衡电路和双向反激变换器主动均衡的均衡性能定量分析显示在[4]中。采用一个经过实验验证的模型去模拟大容量电池模块在恒流充电和放电期间均衡电路的均衡过程。[5]中对18个被动和主动均衡电路进行了回顾和比较。图中显示了分流电阻器和开关电容器仿真的结果，但没有详细的模型描述恒定的充电和放电电流。讨论了每个均衡电路的优缺点，并对均衡速度、复杂性、成本、尺寸、均衡效率、电压/电流应力等指标进行了比较。这些评价标准按等级进行了分类，例如优、良和劣。通过仿真评估了[6]中提出的七个均衡拓扑的均衡性能。提出一种可以捕获均衡电路动态特性的稳态行为的用以描述以上拓扑的模型。将均衡时间和均衡期间耗散的能量作为评估依据。在[7]中，针对被动均衡拓扑和4种抽象的单体到单体，单体到电池组，电池组到单体以及单体到/接受电池组的主动均衡拓扑进行了简单的定量分析，对均衡电路可实现的性能进行了分析。对具有随机电池容量电池组的大量仿真模拟分析，我们使用了具有恒定电池电压，恒定均衡电流和恒定效率的简化通用模型，以评估均衡速度和能量损失。均衡工作模式是在充电过程结束时进行的，而不是在连续放电过程中进行的，鉴于此，恒定的电池电压和恒定的均衡电流可以近似。在[8]中，给出了被动均衡和主动均衡电路的概述。给出了功率损耗和一些平均电流方程。给出一个包含主要特征和类别的表格，例如每个电路的电气元件数量或定义的定性标准。该标准具有相当简单的类别，其等级包括低、中和高复杂度。在[9]中，详细描述了反激式变换器，并进行了仿真以估计在恒定电流放电周期中十个电池单体获得的能量增益总和。它显示了如何使用电池容量和荷电状态（SOC）而非电池电压作为均衡变量来改善主动平衡。在没有进行均衡的情况下，用源自真实电动汽车的FTP72驱动周期，对具有三个单体的电池模块进行仿真分析，比较其特性参数。据我们所掌握的文献资料，目前还没有针对具有动态充放电操作的汽车应用进行定量的完全比较。在本文中，我们旨在汽车应用的背景下进行这样的定量比较。由于采用的方法是有模型依据的，所以是一种严格的定量分析。

B.主要思想

本文对十种主动均衡电路进行了基于模型的定量分析比较。电路每秒以数千次的高频率重复的进行能量传输。在长时间段角度来看，电流的具体动态无关紧要。电流的总量很重要，可以用一段时间内的平均电流信号表示。平均输入信号（平均电流[6]，[10]）模型通过均衡电路在电池组放电过程中驱动循环配置进行均衡，来模拟能量传递。该模型用于电动汽车的准静态仿真。驱动配置是重复的 FTP75 驱动周期，直到第一个电池单元达到其较低电压限制。连续进行主动均衡周期以均衡所有电池单体能量。将新电池分布情况的模拟结果与具有较高方差和较低平均总容量的老化电池进行比较。

本文的结构如下：在第二节中描述了用于推导电动汽车模型的准静态方法。第三部分给出了电池单元的平均电流模型和均衡电路模型。第四节给出十种主动均衡电路平均电流的计算方法。在第五部分中，讨论了不同的均衡控制目标，均衡策略和均衡变量。第六部分介绍了电池参数和仿真参数的设置，以及不同控制变量和不同主动均衡方法下的仿真结果。在第七节的结论之前，介绍了均衡前后的电池组特性指标分布的结果，并讨论了基于不同的控制变量的均衡性能。

1. 电动汽车建模

在较长的时间间隔内，对于电池均衡系统而言，所需功率和所产生电流的准确动态仿真可以忽略不计，因为随着时间的流逝，电流电荷的总量和平均表示法更值得关注。参考[11]，选择一种准静态仿真方法来仿真电动汽车，动力系统，功率变换器和电池组。子系统的结果链如图1所示。行驶周期的车速 用作输入，以计算加速电动汽车所需的机械功率。机械动力和驱动力的输出静态计算基于以下公式：

(1)

加上车辆的总质量，重力常数，滚动摩擦系数，空气密度，阻力系数，车辆横截面和连续时间。平均速度和加速度的方程由

(2)

(3)

时间为,步长为，驱动力在两个离散时刻之间是恒定的，时刻和

根据机械功率计算出电功率，需取决于动力总成和逆变器参数。电池电流源于电力需求和电池总电压。电流用作第三部分电池模型的输入，该部分通过电池电压和电流与第四部分的平衡模型方程进行交互。电池单元的电压，SOC或电池单元容量会传输到均衡控制器。均衡控制器确定是否需要进行均衡操作，通过在电池之间传递能量来减小电池之间的差异。

3.电池均衡单元建模

用带欧姆电阻的戴维南模型来描述电池单元。作为等效模型的其中一部分，使用非线性开路电压[10]来描述一个具有锂镍锰钴氧化物阴极和石墨阳极的电池。均衡电流通过均值来描述,它取决于电池组的电压水平。而电池组的电压水平又取决于各个电池单体的能量水平，以及由流过电池组的电流引起的欧姆压降。

有很多表达电池单元能量水平的方法。电池荷电状态 SOCi(t)isin;[0，1]和实际的充电电量有关：

(4)

在时间，第个电池的总充电容量CT，以安培小时（Ah）为单位，通常与制造商的标称容量CN不同，并且随着电池寿命而变化^[12],[13]。由于(4)中的线性关系，欧姆电池电阻分别取决于荷电状态 SOCi(t)或实际电池容量 Ci(t)。

可以将多个电池单元串联的电池系统描述为：

(5)

(6)

以空间模型[6]，[10]的形式，其中表示状态，而是初始状态。矩阵 ， 和 对 或 具有依赖性。i = 1，...，N 的每个状态 (t)都有一个纯积分器动态变量，代表电流容量。状态方程中的电池电流被解释为的扰动。放电时， .充电。

在输出方程中，开路电压由矢量表示，单位为伏特V。输出方程中的前馈矩阵表示电池电阻，单位为欧姆。结果向量的军衡电流仅影响单个电池，电池组的电流导致输入方程中的开路电压以外的其他欧姆压降。输入包括激活N个电池的均衡电流。输入尺寸M取决于均衡电路中储能元件和互连的数量。由于主动平衡电路的多样化特性，无法对输入尺寸M进行通用计算。由于单向或双向能量传输，在单元之间移动能量的自由度有所不同。同样由于平衡的互连结构，能量传递可以仅在相邻电池单元或仅限于特定的单元之间可以更加自由的在任意的单元之间传递能量。因此，必须为每个主动均衡电路分别确定各自的输入尺寸M。所得到的的输入矩阵由下式给出：

(7)

具有拓扑矩阵和平均电流矩阵

(8)

,为安培A为单位。例如,A电池,具有N=3和升降压变换器，用有源平衡表示拓扑矩阵如下：

(9)

用于衡量能量转移的电路均衡效率。均衡效率包括运输和开关损耗，用以表示诸如 MOSFET 的电阻或导体电路损耗之类的影响。另外，MOSFET 输出电容必须在开始导通之前进行充电。可以根据物理模型和数据表计算得出的损失，也可以根据原型测量得到的损失来确定损失。在[14]-[16] 中可以找到更多关于建模和计算不同损耗以及不同电路的整体效率值的更多细节。示例的平均电流矩阵

(10)

由 的两个项组成。由较高的自由度将能量从单元 2 转移到单元1或单元3，反之亦然。因此，项和 仅在中出现一次 。第四节介绍了十种主动均衡电路的矩阵的平均电流 的计算。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[236675]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word