基于Stateflow的動力電池均衡仿真研究

趙 鋼， 郭 沛

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384)

基于Stateflow的動力電池均衡仿真研究

趙 鋼， 郭 沛

(天津理工大學天津市復雜控制理論與應用重點實驗室，天津300384)

動力電池的均衡控制作為電池管理系統(tǒng)(BMS)的一項關鍵技術，決定了電池組的使用效率和壽命。采用一種基于電感的雙向非能耗型均衡控制電路，結合Stateflow技術，在MATLAB中完成了對該電路的仿真。結果表明，該控制電路能快速實現(xiàn)電池間電量的均衡。

動力電池；均衡控制；Stateflow；MATLAB

作為電動汽車的動力源，單體鋰離子電池額定電壓一般為3.2 V，為滿足電壓和容量的需求，在使用過程中往往由上百節(jié)單體電池串并聯(lián)而成組。由于鋰離子電池在生產以及使用過程中產生的不一致性，在串并聯(lián)成組后，其不一致性最終導致電量的參差不一。如果這種差異得不到及時的平衡和抑制，不一致性就會隨著電池的充放電循環(huán)而不斷加劇，甚至導致電池的過充或過放，最終會影響整個電池組乃至用電系統(tǒng)的效率和壽命[1]。

均衡技術就是利用電子技術，通過搭建均衡控制電路，配合均衡策略來實現(xiàn)電量的遷移或耗散，以達到電池間電量的統(tǒng)一。常見的均衡方式可分為能量耗散型和能量非耗散型兩種[2]。能耗型均衡采用耗能方式，通過在單體電池兩端并聯(lián)一個功率電阻和一個開關進行分流，將電池組中電量較高的單體電池多余的能量釋放，從而實現(xiàn)電池組均衡[3]。該方法結構簡單，穩(wěn)定性好，但由于要損失能量，所以一般使用在小功率場合[4]。非能耗型均衡是指利用中間儲能元件和一系列的開關元件，將電池組中荷電狀態(tài)較高的電池的能量轉移到荷電狀態(tài)較低的電池中去，以達到均衡目的[5]。這種方式不但均衡效率高，而且節(jié)約能源，不產生熱負擔，是目前研究的熱點。

本文采用基于電感的非能耗型均衡控制拓撲電路，結合Stateflow技術，完成了在MATLAB中對該系統(tǒng)的充、放電均衡仿真，對均衡效果進行了仿真驗證，同時將該均衡系統(tǒng)與實際應用中最為常見的電阻均衡系統(tǒng)做一個對比仿真測試，結果表明，該方法能夠實現(xiàn)電池間能量的均衡，而且效率高、速度快，比傳統(tǒng)方式有很大提高。

1 均衡原理分析

1.1 均衡電路

電感型均衡的基本原理是以電感作為儲能元件，將電池組中電量較高的單體電池中的電量轉移到電量較低的電池上，通過控制開關管通斷來切換電流通斷，使電感不斷充放電，進而實現(xiàn)能量的雙向流動，其中開關管的導通次序由均衡策略決定。拓撲結構如圖1所示。

圖1 電感型均衡控制電路

1.2 均衡策略

現(xiàn)有的動力電池均衡技術大多數(shù)基于外電壓均衡，但基于電池外電壓均衡并沒有抓住電池組一致性問題產生的內部本質因素，也沒有有效地提高電池組的可用容量[6]。蓄電池工作時端電壓的均衡并不意味著各電池的容量是相同的，各單體電池的荷電狀態(tài)(SOC)均衡才是需要控制的目標[7]。因此本文采用SOC作為電池組一致性均衡判據(jù)。

由圖1可知，該均衡電路主要由電感、開關管、二極管組成。均衡過程以B1、B2兩節(jié)電池為例，當大于0.2%時，均衡開啟，脈沖驅動信號作用于開關管T3的門極上，T3將持續(xù)導通和關斷。導通時，電池B2對電感L1進行充電；關斷時，L1中的電流方向保持不變，將通過二極管D1對B1充電。該過程一直持續(xù)到二者SOC差值小于0.2%，如此實現(xiàn)了能量在電池間的轉移，過程如圖2、圖3所示。

圖2 T3導通時

圖3 T3關斷時

2 系統(tǒng)仿真

2.1 仿真模型

根據(jù)上述對均衡控制電路結構與策略的分析，本文在MATLAB/Simulik中搭建了該電路的仿真模型，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真模型

圖4為放電均衡模型，充電均衡時只需把恒流源改為5 A，以及更改電池初始SOC值。該模型包括1個控制模塊、3個執(zhí)行模塊、4個電池模型和1個恒流源。

(1)控制模塊的作用是采集并比較電池組中相鄰兩節(jié)單體電池的SOC大小，若SOC差值達到均衡條件，開啟均衡將脈沖信號加在開關管上，啟動均衡過程；

(2)執(zhí)行模塊包括開關管、恒流源、電感、二極管，開關管頻率設為50 kHz，占空比50%，電感值1 mH；

(3)本文采用力神LP2770102AB型鋰離子電池作為實物樣本，電池模型選擇鋰離子電池(lithium-ion)，設定公稱電壓為3.2 V，額定容量為11.5 Ah。放電均衡用到的四節(jié)電池初始SOC分別為92%、90%、89%、93%，充電均衡時初始SOC分別為58%、60%、63%、59%；

(4)充、放電均衡用恒流源進行5 A的恒流充、放電過程。整個仿真過程歷時60 s，模擬電池組在充、放電過程中的均衡效果。

為了更進一步地明確該均衡系統(tǒng)的有效性和實際應用價值，我們將該均衡系統(tǒng)與實際應用中最為常見的電阻均衡系統(tǒng)做一個對比仿真測試，它的仿真模型如圖5所示。

圖5 電阻均衡仿真模型

該均衡的控制策略選擇平均值法，首先求取當前電池組SOC的平均值，當單體電池的SOC值大于平均值0.2%時，開啟均衡，當小于0.2%時停止。

2.2 Stateflow設計

在當前控制領域中，使用基于MATLAB平臺的Simulink/ Stateflow組態(tài)仿真開發(fā)環(huán)境進行系統(tǒng)建模仿真已成為主流。Simulink提供了面向方框圖的開發(fā)環(huán)境來完成動態(tài)系統(tǒng)組態(tài)開發(fā)和仿真，而Stateflow使用流程圖和狀態(tài)轉換圖來開發(fā)基于層次狀態(tài)機的事件驅動系統(tǒng)[8]。

本文利用Stateflow完成均衡的控制，通過圖形化工具實現(xiàn)在系統(tǒng)不同狀態(tài)之間的轉換。系統(tǒng)中包含9種狀態(tài)，分別為6個開關管驅動信號的產生與停止；遷移條件為|SOC差值|＞0.2%時開啟均衡，|SOC差值|＜0.2%時停止。若滿足遷移條件，系統(tǒng)進入相應的狀態(tài)。通過Stateflow技術，仿真中可直接觀察到狀態(tài)的改變既整個均衡控制的過程，如圖6所示。

圖6 基于Stateflow的均衡控制圖

3 仿真結果分析

圖7和圖8為采用本文所設計均衡系統(tǒng)時，電池組充、放電過程中電池SOC變化曲線圖，圖9和圖10為采用電阻均衡時SOC變化曲線圖，兩系統(tǒng)選擇的均衡啟停條件相同，從中可見，采用本文所設計的均衡系統(tǒng)時，在電池組充、放電的過程中，單體電池在均衡回路的作用下，SOC逐漸趨于一致，放電時在48 s左右，單體電池SOC曲線先后呈線性，說明了相鄰電池SOC差值已小于0.2%，均衡停止，而電阻均衡在相同時間內，并不能很好地完成電池組均衡，同時，為了避免電池組能量過度損耗，均衡不能頻繁開啟，實際應用中，均衡啟停條件需要設置得偏大，不能很好地完成均衡。

通過圖7～圖10可見，該均衡電路和均衡策略在仿真模式下能有效解決電池間電量的不均衡問題，且誤差滿足設計要求，明顯好于電阻均衡系統(tǒng)。

Research of power battery active balancing control based on Stateflow

The balancing control of power battery was a key technology for BMS,which ensured the working life and discharging capacity of the batteries in electric vehicles.An active two-way balancing control circuit with inductors was adopted,and the simulation in MATLAB was completed by using the Stateflow.The results show that circuit is able to realize the balancing between different electric quantity of batteries rapidly.

power battery;balance control;Stateflow;MATLAB

TM912

A

1002-087X(2016)12-2444-02

2015-05-03

趙鋼(1962—)，男，天津市人，教授，碩士生導師，主要研究方向為電力電子應用及計算機控制等。