动力电池主动均衡方案总结

项目：纯电动中型正式客车研发与示范电源电池组主动平衡程序联合理工大学：安凯：编辑：学校右侧：学校：审判：稽核：核准：合肥工业大学2015年11月15日列表1背景12选择平衡变量2使用2.1断路电压作为平衡变量22.2使用工作电压作为平衡变量2使用2.3 SOC作为平衡变量32.4使用剩馀可用容量作为平衡指标33主动平衡程序43.1基于电容式平衡拓扑43.1.1基于单电容平衡拓扑43.1.2基于多电容平衡拓扑5基于3.2感应平衡电路63.2.1基于单电感平衡结构63.2.2基于多电感平衡结构73.3基于单绕组和多绕组变压器的均衡电路73.3.1基于单绕组变压器平衡结构73.3.2基于多绕组变压器平衡结构83.4基于DC/DC转换器的均衡策略9基于3 . 4 . 1 buck变换器平衡结构93 . 4 . 2 buck-boost转换器平衡结构基础103.4.3基于CUK转换器平衡结构104平衡拓扑汇总115选择平衡策略135.1最大平衡法135.2平均和差异比较平衡策略135.3模糊控制方法146电源电池组平衡技术综述14背景1随着电力电池在电动汽车动力系统中的广泛使用，耐久性、可靠性和安全性等一系列问题逐渐暴露出来。电池分组后单体之间的不匹配是导致这一系列问题的主要原因之一。由于电动汽车的类型和使用条件的限制，对电池组的功率、电压等级和额定容量的要求有所不同，电池组中的单个电池数量差异很大。即使参数要求相似，所需电池数也因电池类型而异。整体而言，单体越多，电池一致性差异越大，对电池组性能的影响也越明显。车辆用锂离子电池组装后，电池单体性能的不一致严重影响了电池组的使用效果，从而缩短了电池组的使用寿命。询问单个电池差异的因素主要有三个：(1)同一批电池也可能出现不一致的电池制作工艺限制；(2)电池组中单个电池的磁放电速度不一致。(3)使用电池组时温度、放电效率、保护电路对电池组的影响可能会扩大差异。因此均衡系统是车辆用锂电池组管理系统的关键技术。在电池集成和管理方面，基于参数的电池均衡技术有两个方面，可以显着减轻电池不匹配的影响：主动电源电池分组、分组后电池包不匹配的性能和电池均衡技术。但是，分组前电池单体的分离技术在保证电池组均衡功能方面存在局限性，不能消除电池组在使用中出现的不平衡。因此，基于电池组不匹配表示和参数的电池均衡技术是电池组正常工作和延长电池寿命所需的模块和技术。系列蓄电池平衡策略在平衡过程中根据能量的流动和转换形态，可分为被动平衡和主动平衡两类。手动平衡策略的典型例子是电阻并联平衡策略，平衡过程通过电阻将系列蓄电池中高能量单体蓄电池的能量转换为热能，最终实现了系列蓄电池组中各单体蓄电池能量的一致性。这种方法在平衡过程中耗散了一定的电池能量，现在使用得更少了，本说明书也不再累了。图1.1电阻分流手动平衡策略2选择平衡变量使用2.1断路电压作为平衡变量目前，大多数均衡系统都是通过直接观察测量开路电压，容易测量，如果开路电压与SOC之间的关系，开路电压匹配，电池组SOC一致性也很好，在相同的充电和放电电流下，SOC和操作电压也具有相似的正相关，开路电压高的电池，SOC高，充电和放电时电池电压高于其他电池，所以在电池组挂起的情况下，将开路电压作为均衡变量，可以在一定程度上改善电池组不一致性状态。但是，将断路电压作为均衡变量，均衡系统只能在电池组上工作，从而降低了系统的工作效率。不同供应商的电池OCV-SOC曲线可能存在差异，因此平衡控制过程中的某些参数需要重新校准。并且，断路电压本身变得非常小的范围，因此平衡系统采集模块的收集精度必须很高。2.2使用工作电压作为平衡变量工作电压和开路电压一样，是可以直接测量的参数，工作电压比开路电压范围更大，在采集精度上更容易满足要求。采用工作电压作为均衡变量的均衡系统在电池组充放电阶段工作，目前纯电动汽车的动力锂离子电池组充放电阻断条件由工作电压决定，因此将工作电压作为均衡变量，可以在充电前提下最大限度地提高电池组的容量利用率。对于较旧、内部电阻较大的电池，如果在未满的情况下使用操作电压一致性作为平衡目标，则可以确保在操作过程中SOC波动范围小于其他电池，从而减慢该电池的老化速度，延长整个电池组的寿命。作为平衡变量的工作电压特别是在纯电动汽车的实际工作条件下，工作电压可以发生很大的波动，平衡系统的开关频繁，开关损耗增加。电池SOC高或低时工作电压变化严重，平衡系统平衡功能要求高，而SOC处于中间阶段时，单个设备之间的工作电压差异可能很小，因此必须保证平衡系统的采样精度。使用2.3 SOC作为平衡变量SOC的数学表示法表明，SOC当前电池剩余容量占最大可用容量的百分比，当SOC用作均衡变量时，可以忽略电池组中单个电池之间最大可用容量的差异，所有单个电池同时达到充放电截止电压，从而有效利用电池组的容量。同时，SOC一致意味着所有单体在相同的放电深度下工作，放电深度不同，从而防止电池老化速度的差异。仅当所有单个电池的SOC值始终保持不变时，电池包SOC值才能真实反映整个电池包剩馀容量的状态。使用SOC作为平衡变量的最大问题是，如果SOC估计精度和实时问题、充电和放电初期SOC差异较小、无法识别，则后差异较大时，平衡系统压力较大，可能无法完成平衡。平均化电流本身也会影响SOC估计，不考虑大部分现有的估计方法。此外，高精度SOC估计算法通常计算量大，对电池组中每个电池的实时估计要求平衡系统具有足够的计算能力。2.4使用剩馀可用容量作为平衡指标与SOC一样，使用当前剩馀可用容量作为平衡指标也是在容量方面平衡电池组，防止低容量电池产生的“短板效应”，并充分发挥电池组的能力。如果组中电池老化程度的差异不大，则两者都相同；如果组中电池老化程度不同，则在某个时间点SOC匹配时，不同的电池SOC变化速度将会不同，因此下一分钟将出现不一致，但如果将剩馀可用容量作为平衡目标，则不会出现后续不一致问题。使用剩馀可用容量作为平衡指标的最大问题是，在线实时估计电池当前最大可用容量的当前估计方法大部分只是离线估计，无法保证估计的准确性。3主动平衡计划对于锂电池，改善电池管理系统设计核心的单个电池之间的不一致性。如果没有平衡的管理模块，则不能保证电源电池组的稳定性。从均衡子系统的组件开始，电阻抗均衡，储能组件均衡是目前埋地离子动力电池比较常见的均衡方法。当然，所有均衡子系统都可以从平衡结构的拓扑形式分为独立平衡和集中平衡，从平衡的能量回收角度分为主动平衡和手动平衡，从能量流角度分为单向和双向平衡。图3.1电池均衡电路结构3.1基于电容式平衡拓扑在基于电容均衡策略的电路拓扑中，有两种最基本的电路拓扑，如图3.2和图3.3所示。两者的主要区别是在平衡过程中参与平衡的电容的数量和平衡电路的控制方式不同。3.1.1基于单电容平衡拓扑图3.2所示的单电容平衡策略只需要一个电容作为能量传递载体，其平衡过程还需要电压检测电路的参与。其工作流程是，控制中心在串行电池组中检测超过能量的单体，控制两端开关关闭，将能量传递到电容，在电容器充电后分离电压高的单个电池，断开切断电压低的单体和电容器的连接，让电容器充电低压单体，经过一定的周期，以能量低的单体传递。这个策略的结构比较复杂，但平衡电路较小，平衡速度快。图3.2单容量平衡策略电路3.1.2基于多电容平衡拓扑在多电容均衡电路中，一组电容器在串行电池组的相邻电池之间传递电荷，其工作原理是所有开关同时移动，在上下触点之间交替连接，通过这种简单的动作，电荷在两个相邻电池单体之间移动，最终电荷从高压单元传递到低压单元，通过开关反复切换，达到平衡。单刀双投开关可以作为变压器运行MOSFET设备实现，开关频率高达数百KHz，所需平衡容量要求低。理论上，该方法不需要单个电池的电压检测模块，但是为了防止开关总是处于动作状态，还可以添加电压检测设备，以便在发生单个电压差异的情况下，控制设备发出信号驱动开关的动作。图3.3多电容均衡策略电路基于3.2感应平衡电路诱导平衡策略是使用电感作为能量传递的载体，实现各单体之间的能量平衡。根据电感耦合形式，可分为单/多电感均衡策略，均衡电路拓扑如图3.4、图3.5所示。3.2.1基于单电感平衡结构在单电感有源均衡中，每个单电池的两端可以通过开关连接两个单向路径，连接到中间能量存储元件电感l的两端，通过控制开关阵列在两个单体之间传输能量，如图3.4所示。该方案通过开关阵列门控，实现了电池组中两个单体之间的能量转换，从而提高了平衡速度，减少了平衡过程中的能量损失。但是，在同一时间，只有两个单体参与能量移动，因此开关控制比较复杂，单电感有源平衡能量转移效率与变压器平衡相比仍然较低。图3.4单电感均衡策略电路拓扑3.2.2基于多电感平衡结构多电感有源均衡如图3.5所示，在每两个相邻电池之间放置电感。此均衡解决方案具有高可扩展性，均衡电流大，但均衡电池距离较远时，通过多次中间传输降低均衡速度，增加能量损失。图3.5多电感均衡策略电路拓扑基于3.3单绕组和多绕组变压器的均衡电路基于3.3.1单绕组变压器平衡结构基于单绕组和多绕组变压器的平衡策略。图3.6是单绕组变压器均衡策略电路，每个单蓄电池有一个变压器和一个整流二极管。在控制中心，均衡开关S1开始以一定频率工作，对主线圈充电，产生次级线圈输出电压。灯的比率可以确保输出电压是每个单个电压的平均值，自动为最低电压的单个电池充电，从而确保每个单个电池电压的一致性。串联电池组的能量自动均匀分配到每个单体电池，能量平衡过程完成。图3.6单绕组变压器平衡策略电路拓扑基于3.3.2多绕组变压器平衡结构多绕组变压器均衡电路通常是指在具有单核心和多核心多绕组变压器的间歇模式(DCM)下工作的飞灰多绕组变压器均衡拓扑电路。变压器主动均衡通过充电阶段的顶部均衡和放电阶段的底部均衡，防止单体电池过度充电，最终使所有单体电池的能量差异在一定范围内。本方案的能量传递对象是单体和电池组，因此不存在相互转移的问题，如果单体电池的能量和电池组的平均能量的差异在一定范围内，如果单体电池能量低于电池组的平均能量，则控制连接到电池组的变压器原始边缘导向，为功率低的单体提供能量，如果单体电池能量高于电池组的平均能量，则控制连接到该单体的副变绕组导向即可。由于将过多的能量从单个电池转移到电池组，控制策略简单，易于操作，但变压器主动平衡的可扩展性差，单个电池数变化时必须重新缠绕变压器，这种变化难以保证一致性，容易发生磁饱和。多芯变压器主动平衡增加了变压器平衡结构的可扩展性。每个单体对应于一个小型变压器，如果单体数量发生变化，相应地增加变压器数量就可以了，但是这个方案需要更多数量的变压器，成本高，占用空间大，很难部署。图3.7多绕组变压器平衡策略电路拓扑图3.8多芯多绕组变压器均衡电路基于3.4 DC/DC转换器平衡策略基于DC/DC转换器的均衡策略是指使用DC/DC转换电路在系列电池组中传输和平衡能量的各种DC转换器等常见功能。典型的平衡策略包括具有图3.9、图3.10和图3.11所示电路拓扑的Buck转换器、boost转换器、Buck-boost转换器和Buck转换器。严格地说，上述四种拓扑只是DC/DC转换器设计中的几种转换技术，与上述多种电路结构相比，可能没有使用新的电气组件，而是与上述电路结构有重叠部分。基于3 . 4 . 1 buck变换器平衡结构降压转换器属于降压DC/DC转换器结构，其中输出电压等于或小于输入电压的单管非绝缘DC转换器。根据电感电流I是否连续，降压变换器有三种工作模式：连续导电模式、不连续导电模式和临界导电模式。连续导电模式是线性系统，控制更方便，更简单。不连续导电模式是非线性系统，不易控制。图3.9 buck变换器平衡策略电路拓扑基于3 . 4 . 2 buck-boost变换器平衡结构buck-boost转换器是一种上升下降DC/DC转换器结构，在两个单体之间形成一个转换器，通过电容器或电感等能量存储设备传递单个能量，在相邻单体之间单向或双向传递能量。实际上，多电感均衡结构是由buck-boost转换器结构组成的上升下降均衡电路。这个方案的基本思想是从高压单体中去除电力，合理分配，以达到平