基于灰色理論的電動汽車充電均衡控制

高金輝，朱元培，劉 永

(河南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453007)

電動汽車使用的動力電池往往是電池單體的串并聯(lián)組成的電池組。各單體鋰電池在生產(chǎn)制造中必然存在個(gè)體差異，而且在使用中老化程度也不一樣，若不在充電過程中采取措施，這種差異將被累積甚至擴(kuò)大。長期使用必將導(dǎo)致各電池的容量、內(nèi)阻、端電壓等參數(shù)不均衡，從而影響整個(gè)電池組的實(shí)際容量，縮短壽命，造成浪費(fèi)，增大成本。

為解決以上問題，在充電過程中，只有通過某種方法，使充電完成時(shí)電池組的所有電池都能充滿電，達(dá)到均衡狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)均衡控制。本文對現(xiàn)有充電均衡控制方法做了分析，提出一種新的基于灰色理論的充電均衡控制策略，并使用新方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方法的可行性。

1 電池組充電均衡控制研究

1.1 充電均衡控制的必要性

電動汽車用鋰離子電池組通過多節(jié)鋰離子電池串聯(lián)和并聯(lián)以獲得高輸出電壓和大容量。在生產(chǎn)過程中，由于加工工藝等原因，同批次電池的容量和內(nèi)阻都可能存在差異；使用過程中由于溫度等差異造成電池使用的不平衡；不同電池之間的放電情況存在差異等，長時(shí)間累積，將造成電池狀態(tài)的不平衡。

在對串聯(lián)電池組進(jìn)行充電時(shí)，不能通過過充的方式使各單體電池達(dá)到飽和狀態(tài)。若以容量大的電池充滿為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量小的電池過充電，損害電池；若以容量小的電池充滿為依據(jù)，必然導(dǎo)致容量大的電池欠充電，這兩種方式都不能達(dá)到均衡狀態(tài)[1]。

電動汽車電池組需要頻繁的充放電，隨著充放電次數(shù)的增多，各電池的不均衡將不斷加劇，形成惡性循環(huán)，最終造成整個(gè)電池組性能不斷下降。

1.2 已有的充電均衡控制方法

目前均衡控制的方法主要有能量耗散式、能量轉(zhuǎn)換式和能量轉(zhuǎn)移式。

能量耗散式是指將電池組中電壓較高的電池進(jìn)行放電來實(shí)現(xiàn)均衡。每一個(gè)電池并聯(lián)一個(gè)分流電阻，并通過開關(guān)進(jìn)行控制，在充電過程中，當(dāng)某個(gè)電池電壓偏高時(shí)，其分流開關(guān)閉合，電池進(jìn)行分流。這種方法結(jié)構(gòu)簡單，容易實(shí)現(xiàn)，缺點(diǎn)是分流電阻始終在損耗功率，能效低，而且產(chǎn)生較大的熱量。

能量轉(zhuǎn)換式主要使用線圈進(jìn)行轉(zhuǎn)換。能量轉(zhuǎn)換法對充電電流進(jìn)行均衡，充電速率很快，但在大量電池串聯(lián)充電時(shí)，需要大量的變壓器，磁場損耗大，均衡設(shè)備體積大，效率變低。

能量轉(zhuǎn)移式是利用電容或電感等儲能元件將能量進(jìn)行傳遞。在充電過程中，通過微控制單元(MCU)控制開關(guān)的切換，先由電壓最高的電池向電容充電，再由電容向電壓低的電池充電，并多次重復(fù)這個(gè)過程。這種均衡電路的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，體積可以做的很小，缺點(diǎn)是需要大量的電力電子開關(guān)器件，損耗大，需要的時(shí)間也較長[2]。

通過對以上各種均衡方法特點(diǎn)的比較，本文設(shè)計(jì)了一種基于灰色理論預(yù)測的變電流均衡充電策略，在電池電壓達(dá)到4.0 V時(shí)，即開始均衡控制，當(dāng)?shù)竭_(dá)4.2 V時(shí)充電結(jié)束，節(jié)省了大量時(shí)間，提高了效率。

2 基于灰色理論的充電均衡控制策略

2.1 基于灰色理論預(yù)測均衡充電控制

本文設(shè)計(jì)的基于灰色理論充電均衡控制主要由PC、充電機(jī)、灰色理論控制模塊、電壓檢測模塊組成，如圖1所示。系統(tǒng)中最重要的部分是控制模塊和電壓檢測電路。PC可以隨時(shí)顯示電池的電壓電流波形，還可以長期記錄電池的電壓和電流。

圖1 基于灰色理論充電均衡控制結(jié)構(gòu)

2.2 電池電壓檢測電路

電池電壓檢測電路主要由類比數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC0804)和四路運(yùn)算放大器(LM324)組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電池電壓檢測電路

該電路的主要作用是在檢測時(shí)間內(nèi)及時(shí)準(zhǔn)確測量出電池的電壓。其工作過程為：繼電器通電吸合，系統(tǒng)處于檢測狀態(tài)，電池電壓經(jīng)過減法器，送到ADC0804，最終傳至灰色理論控制模塊。經(jīng)過灰色理論控制模塊預(yù)測與查表，選取合適的電流對電池充電。檢測電路的測量范圍在2.5～5.06 V之間，分辨率為0.01 V，能夠準(zhǔn)確測量電池電壓，充電結(jié)束時(shí)，可以使電池達(dá)到最佳狀態(tài)。

2.3 基于灰色理論的電池充電控制

鋰離子電池的充電電壓可以看作是一個(gè)非負(fù)序列，并且它的響應(yīng)也相對比較平穩(wěn)，因此就可以采用灰色差分型GM (1，1)模型預(yù)測電壓下一個(gè)狀態(tài)，從而能夠更加準(zhǔn)確地掌握合適的電池充電電流，大大縮短了電池的充電時(shí)間[3-4]。灰色理論的充電均衡控制流程如圖3所示。

圖3 基于灰色理論的電池充電策略流程圖

灰色理論控制策略充電模型的電流計(jì)算公式為：

式中：V0是電池測量電壓，V；V0是灰色預(yù)測的電壓值[5-6]，V。

系統(tǒng)運(yùn)行過程為：初始化系統(tǒng)，包括初始化充電機(jī)和檢測系統(tǒng)等。在電池電壓達(dá)到4.0 V前，系統(tǒng)保持恒定電流(初始值)向電池充電。當(dāng)電池電壓達(dá)到4.0 V時(shí)，進(jìn)入灰色理論控制狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行灰色算法，對電池的下一狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測，并經(jīng)過計(jì)算選取合適的充電電流對電池進(jìn)行充電，保持TS時(shí)間后，進(jìn)入下一個(gè)檢測周期。如此循環(huán)，直到電池電壓達(dá)到4.2 V時(shí)，充電結(jié)束。整個(gè)過程中電池的狀態(tài)可以由PC實(shí)時(shí)顯示并記錄，為電池組的維修及性能升級提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，TS選取為30 s，充電效果最理想，初始電流值為0.55C，對30個(gè)電池組成的電池組進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)，充電結(jié)束各單體電池的電壓如表1所示。

充電電流的初始值為0.55C，在電池電壓達(dá)到4.0 V時(shí)，系統(tǒng)變?yōu)樽冸娏鞒潆姡潆姞顟B(tài)如圖4所示。

由圖5可知，灰色預(yù)測充電控制的充電速度比傳統(tǒng)的控制策略要快，在120 min時(shí)，已經(jīng)充滿；在充電末期會以緩和的速度接近充電截止電壓，不容易產(chǎn)生過充現(xiàn)象。

表1 鋰電池組充電數(shù)據(jù)

圖4 灰色充電控制策略的充電電流曲線

圖5 灰色預(yù)測式與傳統(tǒng)充電控制策略的電壓曲線

4 結(jié)論

本文通過對多種傳統(tǒng)充電均衡控制的分析研究，綜合各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一種基于灰色理論的充電均衡控制策略，通過實(shí)驗(yàn)證明，充電速度要比一般均衡控制有所提高，并且充電結(jié)束電壓非常均衡。整個(gè)過程的電池狀態(tài)可以實(shí)時(shí)顯示并記錄，為電池組維修及性能的升級提供了必要的資料，具有良好的發(fā)展前景。

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