基于Simulink仿真模擬的電動汽車電池優化設計研究

張露 胡廣地

摘要：為了使均衡系統能量效率達到最高，提出了一種改進的均衡電路參數優化方法，對均衡電池電路中的重要參數包括PWM波的占空比和周期T在初選值附近進行了優化，并利用Simulink設計了優化方法的仿真模型。仿真結果表明：單位周期內能量效率最大的最佳占空比為0.52，最佳周期為0.1s。

關鍵詞：均衡電路;參數優化;占空比;周期;Simulink

中國分類號：TM912 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）06-0131-02

鋰離子動力電池和鎳氫動力電池是目前電動汽車中應用最為廣泛的兩種動力電池，由于安全問題和壽命問題，動力電池的技術發展進入了瓶頸期，這也成為新能源汽車產業發展進程中重要的制約因素^[1]。這兩個問題產生的根本原因在于在實際應用中電池包中各節單體電池處于不同的健康狀態。當電池組充電時，任意一節單體電池達到充電截止電壓時，為防止過充，整個充電過程將會終止，而此時大部分電池尚未處于滿電狀態。同理，而當電池組向外界輸出能量時，若任意一節單體電池達到放電截止電壓則會終止整個放電過程。同時，假如動力電池的使用壽命問題無法解決，必將導致電池的更新率提高，進而影響動力電池乃至電動汽車的使用成本^[2]。

為了解決上述問題，電動汽車的電池管理系統（BMS）應運而生。它在電動汽車中起著實時監測與分析電池狀態、保護電池安全、管理電池剩余電量與電池信息的作用^[3]，以確保電池在使用過程中的安全性，也可在一定程度上提高電池的充放電深度，從而實現電池能量利用的高效化。電池均衡控制系統作為BMS中能量控制管理的一部分，更是對動力電池組起著關鍵性作用^[4]。

基于以上分析，提出了一種改進的均衡電路參數優化方法來使得均衡系統效率達到最高，并通過仿真模型進行驗證。

1改進電動汽車電池的優化方法

根據圖1搭建均衡改進的均衡系統的仿真模型，對其進行在線尋優，得到占空比D與周期T的最佳值。其優化流程描述如圖1所示。

圖中，u_out（i，t）、i_out（i，t）分別指當前能量從系統輸出到第i個電池的電壓及電流;u_in（j，t）、i_in（j，t）分別指當前從第j個電池將能量輸入到系統的電壓及電流。

則根據效率最大化的原則，目標函數定義如下：同時，對D和T的范圍進行約束，使其滿足斷續模式的要求。因此，優化問題可表示為如下所示的全局最優化問題：

經過二維在線尋優，即可得到當前最佳占空比及周期。

2參數優化仿真模型建立

2.1模型構成說明

完整的系統仿真模型應包括電池組狀態模擬模塊、均衡控制策略模塊、均衡電路與狀態監測模塊、信號執行模塊、保護電路模塊。其中，電池組狀態模擬模塊用以模擬電池組所處的充電、放電或擱置三種不同的狀態，均衡控制策略模塊用以進行信號處理運算，信號執行模塊進行均衡驅動，均衡電路模塊進行均衡實施，保護電路模塊需控制均衡變量在充放電時允許達到的極限值用以保護電池。

為完成本節參數優化仿真，可在SimPowerSystem中搭建用于公式驗證與參數優化的簡化模型，其中初、次級回路均以單節電池模型代替，通過設置其參數大小模擬電池數量。

2.2仿真元器件選取

模型的搭建需要對其中的元器件進行選擇與參數設置，包括反激式轉換器、電池、MOS管、電容器。這幾種元器件均可在SimPowerSystem中找到，且其參數可調。

2.3模型搭建及參數設置

最終搭建的參數優化仿真模型如圖2所示。

其中，將多繞組轉換器簡化為單繞組轉換器，采用SimPowerSystem中含有的電池模型，以初級回路為6個單體電池串聯的電池組為例，電池額定電壓設置為22.2V，電阻設置為0.006V，而次級回路中的電池額定電壓設置為3.7V，電阻設置為0.001V。在參數調試過程中，設置仿真時間為10s。

3仿真模型分析

3.1不同參數能量效率

對占空比和周期分別設置一定間隔進行仿真，將相對應的效率值輸出到工作空間，最后得到圖3所示三維效率曲面。

得到的最佳占空比D和最佳周期T分別為：D=0.5197，T=0.1s，此時能量效率最大值為0.8493。

3.2優化前后仿真對比

對六節電池六節串聯電池樣本中的SOC初始值分別設置為54%、56%、53%、50%、52%、35%。系統PWM占空比分別設置為優化前后的參數，以電池極差值作為均衡判據，輸出六節串聯電池的soc隨運行時間變化的曲線如圖4、圖5所示，分別提取出優化前后均衡前后六節串連電池的SOC值如表1所示。3.3結果分析

1）從圖4、圖5可以看出，6號電池的SOC值呈上升趨勢，其余電池的SOC值處于下降趨勢，即均衡過程中整個電池組在對6號電池進行充電。對比六節電池樣本初始值的設置，6號電池初始容量最低，仿真結果與設計預期情況相同。且電池電量變化均是單調平滑的。

2）從表1可以看出，均衡過程前，電池組中SOC極差值為21%;均衡結束時，優化前的電池組中SOC極差值約為6.7%，優化后的電池組中SOC極差值約為4.9%，對比優化前后的soc極差值，減小了1.8%，證明優化有效。

3）根據表1中的數據，計算出均衡過程前后樣本SOC值的方差分別為58、4.8811、2.5451可見優化后電池組中SOC值的離散程度大大降低，電池組一致性得到改善，證明優化有效。

4結論

本文利用Simulink建模仿真平臺，建立了改進的均衡系統模型，提出了一種改進的均衡電路參數優化方法來確保能量效率達到最大的情況下，對均衡電路中的重要參數包括PWM波的占空比和周期T進行優化并進行仿真分析，得到以下結論：

1）向均衡電路電池組輸入能量時，得到的最佳占空比D和最佳周期T分別為：D=0.5197，T=0.1s，此時能量效率達到最大。 2）對電池處于擱置狀態下進行仿真分析，得到在一定初始條件下，參數優化后比優化前電池組擱置均衡結束SOC極差值減小了1.8%，方差值下降2.336，證實了對系統優化的有效性。

參考文獻

[1]夏輯.關于新能源汽車研發綜述及建議[J].安徽科技，2009，1：26-29.

[2]徐偉.磷酸鐵鋰動力電池充電方法研究和均衡充電模塊的設計[D].重慶大學碩士學位論文，2010.

[3]王靜.動力鋰離子電池組能量管理系統研究[D].哈爾濱工業大學碩士學位論文.

[4]鄭杭波.新型電動汽車鋰電池管理系統的研究與實現[D].清華大學碩士學位論文，2004.

[5]A Manenti，A. Abba，A. Merati，S. M. Savaresi， and A. Geraci. ANew BMS Architecture Based on Cell Redundancy[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2011，58（9）：4314-4322.

[6]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系統仿真技術與應用[M].第2版清華大學出版社，2011：271-294.