电动车电池均衡控制的建模与分析

　　摘要： 电动汽车电池的不一致性是影响其性能的主要因素， 研究电池的均衡控制技术很重要。建立了一种用于电动汽车电池均衡的能量闭环智能控制模型， 根据模型的原理提出了一种逆变分压动态充放电均衡控制策略。研究结果表明： 研究的控制模型和策略具有高效、节能和智能化的特点， 适合于电动汽车电池的在线均衡。

　　电动汽车（ EV） 的电池组中， 单体电池的不一致性会降低电池组的使用水平， 影响EV 的性能。研究先进的电池均衡控制技术， 以减轻单体电池在使用过程中出现的差异， 将能够最大限度地发挥电池的效率、延长使用寿命、增加EV 的安全性。

　　本文作者研究的均衡理论和控制技术， 并不能够解决电池由于制造工艺而导致的性能差异， 生产工艺和筛选标准是电池组在使用前一致性的决定因素。

　　1  智能均衡的控制模型

　　由于在电池组中有可能同时存在剩余能量低和高的电池，因此高性能的均衡管理系统要具备充放电均衡功能， 还要有良好的充放电均衡匹配和控制策略， 以及放电能量的回收再利用控制。

　　基于上述考虑， 本文作者提出了用于EV 串联电池组中单体电池之间能量均衡管理的能量闭环智能控制模型， 见图1。

图1  能量闭环智能控制模型的基本原理

　　图1 中， I dis为用于均衡的放电电流； Udis为用于均衡的放电电压； I chi为用于第i 只电池均衡的充电电流； Uchi为用于第i 只电池均衡的充电电压。图1表明了模型中能量的流动匹配原理。该模型为每个单体电池配备了一个独立的充电单元， 所有充电单元的能量均由串联电池组的放电能量转换而来， 均衡能量在独立于系统外界能量的闭合环路中流动。用于均衡的放电功率为Wdis , 而用于均衡的充电功率为Wch, 如式（ 1） 、（ 2） 。

　　如果忽略能量在线路中流动的损失和能量转换装置的效率损失， 则用于均衡的放电功率等于充电功率。依据此原理建立的均衡能量平衡方程为：

　　在忽略电池充放电效率区别的前提下， 对于放电电流等于充电电流的单体电池， 放电能量将等于充电能量， 其能量将保持动态平衡； 对放电电流小于充电电流的单体电池， 放电能量将小于充电能量， 能量将会不断增加， 放电电流越小， 能量增加的速度越快， 反之亦然。

　　在能量的流动过程中， 一方面， 通过整组电池的放电产生放电均衡的能量。在放电均衡过程中， 尽管所有电池的放电电流相同， 但是剩余能量高的电池由于电动势高， 实际放出的能量也多， 即该电池的放电能量所占的比例就越高， 反之亦然。

　　另一方面， 整组电池的放出能量又经过能量的转换， 通过独立的充电， 为能量低的电池补充能量。在充电均衡的过程中， 剩余能量低的电池由于电动势低而使得充电电流大， 根据式（ 2） ,该电池得到的充电能量就越大， 即该电池的充电能量所占的比例就越高， 反之亦然。

　　如果所有单体电池采用的充放电均衡的线路和参数完全相同， 则均衡能量的分配和流动仅取决于单体电池的能量状态。剩余能量越少， 该电池充进的能量越多， 放出的能量越少，反之亦然。既不会出现所有电池能量都下降的现象， 也不会出现所有电池能量都上升的现象。一致性较好的电池， 剩余能量状态始终动态保持较好的一致性； 一致性差的电池中， 剩余能量高的电池充电的能量小于放出的能量， 甚至充电的能量等于零， 结果是能量快速放出， 从而趋近于一致性较好的电池； 剩余能量低的电池充电的能量大于放出的能量， 结果是能量快速得到补充， 从而也趋近于一致性较好的电池。实际的均衡效果是放电能量从能量高的电池流向能量低的电池， 宏观表现为电池组的能量在所有单体电池之间实现了均衡分布和调整。该模型能够根据单体电池能量状态的高低差别， 实现电池组能量自动的、比例的流动和分配， 能量均衡过程具有高度智能性。

　　2  智能均衡的控制策略

　　根据上述模型， 提出一种逆变分压动态充放电均衡控制策略， 原理见图2。

图2 逆变分压动态充放电均衡控制原理图

　　电容C1、C2, 功率开关管（ IGBT） T1、T2 , 多抽头高频变压器T 构成了一个标准的半桥式逆变拓扑电路结构。串联电池组与该逆变电路构成放电回路， 高频逆变电路的设计使均衡模块的效率达到85%以上。根据单体电池的数目设计， T 有N 个副边绕组， 每个副边绕组和两个快恢复二极管及一个电容构成一路全波整流及滤波电路， 再与相对应的单体电池构成一路独立的充电回路。逆变电路将电池组的高压直流电逆变成低压高频交流电， 再经过全波整流和滤波处理变换成低压直流电， 为单体电池充电， 从而构成能量单向流动的闭合环路。

　　在本文模型中， 所有充电单元的参数完全相同， 因此T 的所有副边绕组在设计上完全相同， 充电电压Ui~ Un 相等。根据半桥逆变电路的工作原理， 此充电电压为：

　　Uch为单体电池的充电电压； Ut 为电池组在均衡充放电状态下的总电压； 为逆变电路的占空比， 即功率开关T 1 或T2 的开通时间与开关周期的比值； N p 为高频变压器原边绕组匝数；N s 为高频变压器副边绕组匝数。

　　式（ 4） 在理论上表明了均衡充放电状态下的电池组总电压与均衡充电电压之间的关系。一方面， N 个相等的Uch实际上是Ut 的某个比例[ （ Ns / 2N p）×δ ] 分压； 另一方面， 在δ不变的条件下， 可以通过调整高频变压器原边绕组的匝数调整匝比（ Ns / Np） 以控制充电电压， 也可以在匝比（ N s/ N p） 不变的条件下， 通过控制δ 的大小， 控制Uch的大小。Uch越高， 充电电流就越大， 充电能量也就越大， 同时在电池组中接受充电均衡的电池就越多， 反之亦然。

　　根据电池监测系统的数据， 可实时掌握电池组的不一致态势及变化趋势， 及时确定需要接受充电均衡的电池数目和均衡充放电力度。利用高频变压器的匝比调节和占空比调节， 既可控制放电均衡的强度， 又可控制充电电压的高低， 从而达到选择电池组中接受充电均衡的电池单体和控制均衡强度， 实现动态均衡控制的目的。不同电池的充放电特性不同， 应用本文的均衡策略， 还要依据充放电特性曲线确定合理的控制参数。

　　3  结论

　　本文作者提出了一种能量闭环智能充放电均衡控制模型。

　　能量均衡在电池组内构成闭环系统， 无需系统外部提供均衡能量， 在充放电和静置状态均可进行， 并对均衡过程中的放电能量实现了高效率的回收再利用。尤其在易于造成EV 电池不一致程度迅速扩大的大功率放电过程中， 对落后电池给予及时的能量补充， 一致性可始终保持在较高的水平； 提出了一种逆变分压动态充放电均衡控制策略。通过基于逆变分压的能量转换装置， 回收电池组自身的放电均衡能量， 并转换成充电均衡能量， 从而构成均衡能量的闭环单向流动环路。根据单体电池能量状态的不同， 自动实现了单体电池之间能量的动态、比例流动分配。根据电池的分散程度动态、合理地选择接受充电均衡的对象和调整均衡的强度， 通过调节高频变压器的匝比和功率开关的占空比， 实现接受充电均衡电池的数目和均衡强度的自动调节与控制， 智能调节每只电池的均衡充放电能量， 最终实现整组电池的均衡管理和控制。