基于流挖掘與切換電量的主動均衡算法研究

汪 光，趙 理,2，李 昆，客漢宸，李俊麗

(1.北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192；2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100192)

鋰動力電池具有自放電率低、能量密度高、無記憶效應等特點，因此成為電動汽車的主要動力來源。為滿足電動汽車的功率需求，通常將成百上千塊單體進行串并聯，組合成動力電池組給電動汽車供電[1]。由于生產制造工藝、成組技術、使用過程的不同，電池單體間的不一致性將逐漸增大，導致電池包整體能量利用率降低，行駛里程變短，且極易引起過充、過放，損壞電池，因此電池組主動均衡技術逐步成為動力電池領域研究的熱點[2]。

主動均衡技術主要是通過電容、電感、變壓器等中間儲能元件和開關陣列實現電量在電池單體間的轉移，從而消除單體間的不一致性[3-4]。其中基于開關電容的均衡拓撲具有電器元件少、控制簡單、均衡效率高等優點，常被用于電動汽車動力電池組的均衡控制[5]。文獻[6]提出了一種基于單開關電容的均衡電路，通過一對占空比與頻率恒定的脈沖信號對開關管進行控制，但當被均衡的電池單體間電壓差相對較小時，均衡電流顯著變小，均衡速度明顯下降。文獻[7]提出一種基于多繞組變壓器和超級電容的均衡電路，但隨著電池單體數量的增加，變壓器的副邊繞組和開關也會增加，整體結構也變得復雜，均衡控制的難度也逐漸增大。文獻[8]提出一種模塊化的開關電容均衡電路，模塊內的單體和模塊與模塊之間都通過反復循環的方式與電容器相連接，降低了開關管的使用頻率，提高了均衡的效率，但會造成能量的反復流動，增加電量的損耗。以上文獻大多采用基于端電壓或荷電狀態(SOC)的主動均衡標準，當電池組中單體隨著使用時間的增長其容量差異逐漸變大或傳感器噪音較大時，傳統的主動均衡算法由于端電壓或SOC不能準確反映電池單體絕對電量的差異而導致均衡效率變低。

針對該問題，本文提出一種基于流挖掘與切換電量的動力電池組主動均衡算法，該算法采用直接反映電池單體電量差異的切換電量作為均衡變量，利用流挖掘算法進行切換電量的積累，提高了傳統主動均衡算法的效率及有效性。

1 基于流挖掘與切換電量的均衡算法

1.1 流挖掘算法與切換電量

傳統數據挖掘算法通常是對靜態數據集進行挖掘，但針對實時快速到達、數據量無限、存儲困難的數據流進行挖掘時，傳統數據挖掘算法就存在缺陷了，此時需要一種新的數據挖掘算法，即流挖據算法[9]。數據流挖掘技術是一個從快速且連續的數據記錄中挖掘出有用信息的過程[10]。電動汽車動力電池組均衡過程中，會源源不斷地產生電壓、電流等數據，具有數據量龐大、實時產生、不能全部存儲等特點，與數據流相符，可以使用流挖掘算法從上述數據中挖掘出有用信息用來指導均衡過程。本文提出一種新的均衡變量，即切換電量，切換電量是指每次均衡過程單體電池充電或者放電的電量，通過對電流的積分得到，通過流挖掘算法可挖掘出整個動力電池組切換電量的概要信息，以此來智能控制需要均衡充電和均衡放電的單體，實現均衡功能。

1.2 均衡拓撲

單開關電容均衡拓撲具有電容數量少、控制簡單、均衡參數間關聯性小等優點，本文以單開關電容均衡拓撲為例來驗證基于流挖掘與切換電量的主動均衡技術。該拓撲主要包括單體電池、開關陣列、傳感器及電容器。主動均衡過程中，通過均衡算法周期性地選擇有效容量最高及最低的單體分別與電容器相連來實現主動均衡過程，均衡拓撲如圖1所示。

圖1 均衡電路拓撲

1.3 切換電量概要信息挖掘過程

本小節主要是介紹流挖掘算法挖掘各單體電池的切換電量的過程。以單開關電容均衡拓撲為基礎設計均衡電路，通過脈沖信號周期性控制開關陣列通斷，實現單體與電容器間的連接，實現均衡放電和均衡充電。其中脈沖信號上半周期T1進行電池單體放電均衡，下半周期T2進行電池單體充電均衡。下面對均衡過程中的一些數據和變量進行定義。

定義一：單體單次切換電量Qn(t)，單體切換電量總量Qn。n為電池單體的編號，令i(t)為流過單體Celln和電容器C1之間的瞬時電流，單體放電均衡時電流為正，充電均衡時電流為負。Qn0為初始時刻Celln的總切換電量。Qn(t)和Qn可由以下公式求解：

定義二：數據存儲空間QS 和QS*。數據存儲的格式為(n,Qn)，其中n為電池單體的編號，Qn為單體切換電量總量。QS 為切換電量概要信息積累過程中所用的數據存儲空間，QS*為切換電量概要信息消耗過程中所用的數據存儲空間。

算法流程：

(1)初始化QS，清除歷史數據。

(2)記錄數據。當輸入電池數據[n,i(t)]時，首先查看QS是否已經存在n號電池的數據，若存在，根據公式(2)更新Qn，若不存在，則在QS 中新建一個輸入(n,Qn)。

(3)根據切換閾值Qmax判斷系統是否滿足切換需求，是，則跳轉到步驟(4)；不是，則跳轉到步驟(2)。

(4)將當前QS 中的數據存儲到QS*(1.4 均衡控制策略需用到QS*中的數據)，再返回去執行步驟(1)。

1.4 基于流挖掘和切換電量的主動均衡策略

本文提出一種基于流挖掘和切換電量的主動均衡策略。用流挖掘算法挖掘電池組中切換電量累積量最高與最低的電池，用累積量最高的電池給最低的電池進行均衡，可以避免傳統均衡策略中所存在的電量反復流動造成能量浪費的問題。均衡控制流程如圖2 所示。

圖2 基于流挖掘與切換電量的均衡控制流程

1.5 單開關電容均衡原理分析

基于開關電容的電池均衡策略根據單體與電容器之間的電壓差實現能量流動。設一個均衡周期內電壓最高單體的電壓為Vmax，電壓最低單體的電壓為Vmin，電容器的初始充電電壓為Vi，ic_charging為電壓最高的單體Celln流入電容器的瞬時電流，則放電周期T1中電容器的電壓和電流為：

式中：u、T分別為脈沖信號的占空比和周期；R為電容器內阻、電池單體內阻和開關管內阻三者之和；C為電容器的電容。

則在此充電均衡周期內切換電量Qn(T1)可以表示如下：

同理，在T2充電均衡周期中電容器的電流、電壓以及切換電量可用以下公式表示，Vf為電容器的初始電壓。

2 仿真模型

在Matlab/Simulink 環境下，使用SimPowerSystems 模塊中電池單體模型搭建了基于流挖掘與切換電量均衡模型，如圖3 所示。

圖3 基于流挖掘與切換電量的均衡仿真模型

模型以5 節磷酸鐵鋰單體串聯構成的電池組作為實驗對象，5 塊電池依次編號為1～5，電池的額定容量、內阻分別設為：4 Ah、0.008 2 Ω，3.8 Ah、0.008 4 Ω，3.2 Ah、0.008 8 Ω，2.8 Ah、0.012 5 Ω，3.6 Ah、0.009 6 Ω；電池的標稱電壓、滿充電壓、放電截止電壓、初始SOC分別為3.2 V、3.7 V、2.5 V、100%。電容器的初始電壓為2.5 V，電容為100 F。開關管內阻、緩沖電阻分別為0.001、10 000 Ω。通過周期性的脈沖信號進行開關控制，實現單個周期內電池單體的充電均衡和放電均衡，脈沖信號的周期初值和占空比初值分別設為2 s 和50%。

3 仿真分析

3.1 算法運行過程分析

圖4 展示了基于流挖掘算法挖掘切換電量概要信息的過程。當單體進行放電均衡時，電容器電流為正，電池單體切換電量累積量逐漸增大，如圖4 中A1～A4 所示。當單體進行充電均衡時，電容器電流為負，電池單體切換電量累積量逐漸減小，如圖4 中B1～B4 所示。

圖4 切換電量概要信息挖掘過程

3.2 均衡策略對比

基于端電壓與基于流挖掘與切換電量均衡的結果如圖5所示，圖中對電容器電壓、切換電流作了詳細展示，并對A、B兩個區域的切換電流進行了放大展示。由圖5 可知，10 000 s仿真時長內基于流挖掘與切換電量均衡時進行了6.7 次充放電循環，而基于端電壓均衡時進行了7.2 次充放電循環，表明基于流挖掘與切換電量的均衡策略能夠提高單次充放電循環的時長，與基于端電壓均衡相比，均衡效率更高。

另外從A、B 的放大圖來看，當單體電池之間的不一致性較大時，基于端電壓的均衡策略無法選擇正確的單體進行均衡，這導致了圖5(b)中切換電流不規則變化。相反的，基于切換電量的均衡策略可以統計出歷史信息中各個單體的切換電量數據，根據歷史數據信息可以正確選擇出需要均衡的單體，實現均衡操作，故呈現出圖5(a)中規則變化的切換電流。

圖5 均衡策略對比

3.3 周期和電容對所提出算法均衡效果的影響

為探究脈沖信號周期、占空比、電容器電容對所提出算法均衡效果的影響規律，在電池單體內阻、容量等參數不變的條件下，改變周期、占空比和電容，進行均衡仿真實驗。將電容值分別設為0、0.1、1、10、50、100、200、300、400 F，周期分別設為1、1.5、1.8、2、2.3、2.5、5、10、30、50 s，占空比分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。使用控制變量法，改變其中的一個參數，其他參數不變，進行充放電均衡，同時記錄10 000 s 仿真時長內充放電循環次數，以此評價上述參數對所提算法均衡效果的影響。

由圖6 可知，充放電循環次數隨著電容器電容的增大而逐漸減小，即電容越大，單次充放電循環時間越長，均衡效果越好。當電容小于1 F 時，充放電循環次數只減少了0.1 次，說明電容較小時均衡效果較差，而且電容較小時改變周期對整體均衡效果沒有影響。而當電容器電容值大于等于10 F時，均衡效果顯著變好，此時充放電循環次數隨著周期的增大而先減小再增大，即均衡效果隨著脈沖信號周期的增大而先變好后變差，充放電循環次數在周期為1.8 s 處取得最小值，此時均衡效果最好。

圖6 脈沖信號周期和電容對均衡效果的影響

3.4 占空比對所提出算法均衡效果的影響

由圖7 可知，脈沖信號周期不同時，充放電循環次數隨占空比的變化也呈現出不同的變化趨勢。當周期大于等于5 s時，循環次數隨占空比的增大而呈現出先減小后增大的趨勢，在占空比為50%時取得最小值，但整體的變化幅度較小。當周期小于等于2 s 時，改變占空比，循環次數的變化幅度較大，而且不同周期改變占空比對均衡效果的影響不盡相同。由式(5)和式(8)可知，單次均衡的充放電均衡電量和充放電均衡時間密切相關，而充放電時間由周期和占空比相乘所得，所以不同周期下改變占空比對單次均衡電量的影響規律不一定相同，對整體均衡效果的影響規律也不盡相同。

圖7 周期和占空比對均衡效果的影響

由圖8 可知，當脈沖信號周期為2 s 時，在不同電容下改變占空比，充放電循環次數的變化規律相同，說明當周期確定時，脈沖信號的占空比對均衡效果的影響規律不隨電容器電容的改變而改變。

圖8 電容和占空比對均衡效果的影響

3.5 噪音對算法的影響

圖9、圖10 展示了有噪音時基于端電壓和基于流挖掘與切換電量均衡過程中流過單體Cell1～Cell5的電流變化情況。由圖9 可知，當隨機噪音-0.2～0.2 V 加載到被測單體端電壓上時，基于端電壓均衡會選擇一些不合適的單體進行充電均衡和放電均衡，即電池單體Cell3、Cell5也進行充放電均衡，導致電量在單體間的無效流動，降低了均衡效率，也降低了整個電池組的能量利用率。而由圖10 可知，同等條件下基于流挖掘與切換電量均衡仍能選擇正確的單體進行充放電均衡，即Cell1、Cell2(高容量單體)進行放電均衡，Cell4(低容量單體)進行充電均衡，Cell3、Cell5不進行均衡操作，避免了能量無效流動造成的浪費。

圖9 基于端電壓均衡時的電流變化

圖10 基于流挖掘與切換電量均衡時的電流變化

由上述分析可知基于流挖掘與切換電量的均衡算法抑制噪音信號干擾的能力要強于傳統基于端電壓的均衡算法。使用基于流挖掘與切換電量的均衡算法能夠使均衡系統在有無噪音的條件下都能準確地選擇所需均衡的單體，避免能量無效流動，提高均衡效率和能量利用率。

4 結語

本文提出了一種基于流挖掘與切換電量的主動均衡策略，以單開關電容均衡拓撲為基礎，以流挖掘算法挖掘出各單體切換電量概要信息為控制目標，搭建了基于流挖掘切換電量的均衡仿真模型。仿真結果表明，本文所提出的均衡策略能夠準確選擇均衡單體，避免能量的來回流動，因而能顯著延長單次充放電循環的時間，提高均衡效率。