基于MATLAB的鋰電池組均衡仿真系統設計

汪秋婷 戚偉

摘要：闡述鋰電池組不一致性反映在不同特性參數（電壓、內阻、SOC）上的表現形式，選取基于反激式變壓器的能量非耗散型均衡拓撲結構，對該拓撲結構進行了參數設計，搭建均衡電路仿真模型，進行仿真調試及結構改進，確定在“削峰”和“填谷”兩種模式下的電路控制參數。在Matlab環境下對均衡控制策略進行仿真驗證，結果表明，該均衡電路和控制策略能夠實現快速均衡且可行有效。

關鍵詞：不一致性；反激式變壓器；均衡拓撲；Matlab；控制策略

1 引言

單體電池性能的差異會導致電池組出現不一致性現象，而電池組的不一致性會造成電池組使用性能的下降[1-3]。鋰電池組個體差異性導致實際功率無法達到額定功率，單體電池不一致性使整個電池組性能衰減，因此有效的均衡控制電路非常必要[4]。Chang-Soon Lim提出基于模糊控制理論的電流平衡控制方法，在一定條件下可以減少均衡時間，但無法用于純電動車的實際操作[5]。重慶大學設計了一種非線性PID均衡控制算法，PID調節器的增益參數能夠控制均衡誤差，并具有較強的魯棒性和動態響應[6]。目前，眾多學者提出了一種基于SOC的均衡控制方法，并驗證其平衡效果[7-9]。溫州大學葉圣雙提出將單體電池SOC作為平衡參數，結合模糊控制算法建立新的平衡模型和控制策略，該方法能夠取得較好的平衡效果，但是沒有考慮鋰電池充放電電壓平臺問題[10]。本文以電壓作為平衡控制變量，結合反激式變壓器均衡電路拓撲結構，建立變壓器均衡算法和matlab仿真模型，并對串聯鋰電池組進行仿真研究。結果表明，基于反激式變壓器和電壓變量控制的串聯均衡方案，較好地改善充電過程中的不一致性。

2 基于反激式變壓器均衡電路設計

本文設計基于反激式變壓器的均衡電路拓撲結構，系統由5部分組成：（1）4個單體電池標記為B1，B2，B3，B4，串聯組成電池組；（2）4個雙向反激變換器標記為T1，T2，T3，T4，用于電池能量的雙向傳輸；（3）8個輸入MOSFET開關標記為G1P/G1S，G2P/G2S，G3P/G3S，G4P/G4S。8個MOSFET開關的柵極連接均衡控制器的輸入口P0-P7；（4）電壓檢測器選擇芯片LTC2942，其輸入端口連接單體電池的正負極，用于記錄單體電池電壓信息，標記為V1，V2，V3，V4。（5）8個輸出MOSET開關標記為S1P/S1S，S2P/S2S，S3P/S3S，S4P/S4S。8個MOSFET開關的柵極連接總控制芯片的輸入端口P0-P7。

3 充電均衡電路

本文根據DCM工作模型設計充電均衡電路工作過程說明如下：（1）充電工作階段開始于開關G1S打開，B1充電；（2）T1上的電流LSEC1曲線上升到最大值，最大值電流用IPEAX_SEC標識；（3）G1S關閉，同時G1P打開，整個串聯電池組的電能傳遞到單體B1上，產生T1上主電流IPRN的曲線下降過程；（4）第一個同步開關轉向最大角度，最終達到Ipp1=0，所用時間為TD_PRI；（5）當Iprn=0時，G1P關閉，同時G2S打開，返回步驟（1），進入下一個充電均衡和自校正循環過程。

4 實驗結果

本文設計充電均衡實驗，采用充電電流為60A的恒流電流源作為整個仿真系統的輸入來模擬電池組在恒流的情況下的充電過程，設定截止電壓為3.75v，以電池組任意一節單體電池到達截止電壓為仿真節點。選取任意初始狀態作為電池組開始進行試驗，校驗均衡前后電池組可充入電量和電壓極差的變化，實驗共進行三次充電過程，最后均衡充電結束以后得到各個單體電池之間的電壓極差控制在4mv以內，未加入均衡時的電壓極差達到204mv。實驗表明，本文設計的反激式變壓器均衡電路可以改善式電池組不一致性，各個單體電池的電壓和SOC值趨于一致，該均衡方案理論和仿真結果表明是有效的。

5 結論

本文以串聯電池組為研究對象，以改善電池組的不一致性為研究目的，著重對拓撲結構進行設計，對均衡控制策略進行研究和仿真，得以下結論：

（1）分析了電池組不致性產生的原因，電池組不致性反映在不同特性參數上的表現形式，以SOC作為均衡變量雖然可以從本質上改善電池組的不一致性，但由于系統無法保證SOC估算精度和實時性的要求，最終確定以電壓作為電池組在不同工作狀態下的均衡變量

（2）選取反激式變壓器型能量非耗散式均衡拓撲結構，并對對該均衡拓撲結構進行參數設計，電路仿真優化結構參數，改進電路結構，確定“削峰”、“填谷”兩種模式下的均衡控制參數。仿真結果表明，改進后的均衡拓撲結構不僅可實現能量的雙向流動，還可回收利用或耗散漏感中的能量，避免發生磁飽和。

（3）提出了充電均衡的策略，在充電末期當電池組單體電池電壓最大值達到充電截止山電壓壓時，系統停止充電進行均衡，當電池組電壓極差小于當前設定值時，則再次充電，重復上述過程直至電池組各單體電壓達到一致或均衡充電次數達到設定值。

參考文獻

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作者簡介：汪秋婷（1982-），女，博士，副教授，主要研究方向為自動控制、數字信號處理和鋰動力電池管理系統。

*基金項目：浙江省公益性技術應用研究計劃項目（2015C33225），浙江省自然科學基金（LQ16F010004），杭州市科技計劃（20160432B27）