【基于虚拟同步发电机的锂电池SOC均衡控制器设计18000字（论文）】

基于虚拟同步发电机的锂电池SOC均衡控制器设计目录TOC\o"1-3"\h\u22162摘要 I301941绪论 144231.1研究背景及意义 130951.2国内外研究现状 1139321.2.1锂电池SOC估计现状 191041.2.2均衡技术研究现状 288111.2.3VSG基本原理及组成 3294281.3主要研究内容 3312902锂电池特性测试与建模 564542.1锂电池工作原理 5326522.2锂电池特性测试 675802.3锂电池模型建立 7162312.4电池模型参数辨识 10226642.4.1电池容量测试 10313092.4.2开路电压曲线标定 11213642.4.3脉冲放电实验 12150522.5模型验证 13250343基于虚拟同步发电机的锂电池SOC均衡控制技术 15300663.1锂电池的不一致性问题 153843.1.1锂电池出现不一致性的原因 1595913.1.2锂电池出现不一致性的解放方法 16188513.2均衡电路拓扑 16132083.2.1均衡拓扑分类 1677393.2.2均衡拓扑的选取 1884463.3均衡策略分析 19235853.3.1锂电池的主要性能参数 19322913.3.2均衡变量选取 2012224基于虚拟同步发电机的锂电池SOC均衡控制系统设计 22138434.1硬件设计 22289264.1.1主控板电路设计 22144574.1.2均衡模块电路设计 2928854.2软件设计 3085374.2.1主程序设计 30217944.2.2均衡子程序设计 31131664.3仿真验证 31226634.3.1验证平台搭建 31252064.3.2验证结果与分析 32280085总结与展望 34217585.1总结 34155895.2展望 3416746参考文献 351绪论1.1研究背景及意义随着社会的进步、科技创新和人们对美好生活的向往，交通工具也在快速更新中。世界各国汽车保有量也日渐增多。燃油汽车仍然占据着大部分的市场，但是燃油以燃油作为动力源，使用时对环境十分不友好，环境污染会更加严重。我国雾霾天气形成的主要原因之一就有汽车尾气，尾气排放是PM2.5的主要元凶。使用纯电动汽车能完全摆脱对不可再生能源的依赖，不会造成污染。相对于燃油车，电动车拥有更多的优势，以下五个方面为其主要体现：（1）能源清洁；（2）噪音污染小；（3）电机和电池可具备能量回收功能，提高利用率；（4）电能来源丰富多样；（5）结构简单，方便维修。以上这些优点，使得电动汽车的地位得到了肯定，电动汽车是现在汽车工业发展的主要方向。在经历了铅酸蓄电池、镍镉电池、镍氢电池、钠硫电池和锂空电池等多种类型的探索和发展后成为车用电源的主要有铅酸蓄电池和锂离子电池。因现有条件的制约，单个锂离子电池无法满足使用需求，通常将多个电池经过串并联成电池组进行使用。由于电池本身的原因，在循环充放电过程中，成组使用的单体电池在内阻、容量、电压等会对电池造成影响的一些电池参数指标上产生差异，也称之为不一致性。以下两个方面会对电池的不一致造成影响：（1）在制造过程中受工艺、配料等影响，即使同批次出厂的电池也不可能做到电池的容量和内阻完全相同；（2）在使用时，受温度、工况使用环境和条件等原因，将会导致电池的不一致性进一步加大。为了防止出现过充过放现象，在充放电过程中当电池组的某一节电池达到充电或者是放电的截止电压时会停止充放电，而其他单体并未达到充电或者放电截止电压。减小电池组的不一致性有利于使电池组性能得到更加充分的利用，延长电池的使用寿命，提高车辆的续驶里程。1.2国内外研究现状1.2.1锂电池SOC估计现状电池的SOC是表征电池剩余容量的重要参数，目前SOC的定义大多是从电池电量的角度，用于表示剩余电量与额定电量的比值。由美国三大汽车公司、美国能源部和多家电池生产企业成立的美国先进电池联合会（USABC）发布的《USABC电池试验手册》中对SOC的定义为：SOC是电池在一定放电倍率的条件下，剩余容量与相同条件下额定容量的比值。SOC跟许多因素有关，不能像普通物理量一样直接测量，SOC只能通过测量电池电压、电流、温度等参数，通过一定的算法来估计。开路电压法即利用电池容量与电池的开路电压对应关系，在已知电池开路电压的情况下，推算出电池的SOC。安时积分法也称为库仑计量法，是通过检测蓄电池的充放电电流，并对电流进行积分运算得到SOC变化量，结合SOC初始值得到SOC的估计值，该方法简单、易于工程实现。神经网络法(NeuralNetwork，NN)是通过对电池进行人工神经网络建模，根据电池的特性对模型进行训练，用模拟人脑思维的方式估计SOC。卡尔曼滤波法采用递推算法，对存储器的要求很小，容易实现在线估计。通过几十年的发展和完善，卡尔曼滤波已成为了最优估计理论体系的代表，应用领域十分广泛。1.2.2均衡技术研究现状（1）均衡拓扑研究现状均衡技术的研究重点是均衡电路拓扑结构的设计，其目标是使均衡电路结构简单、成本低、控制方便、均衡电流强和提升均衡电路的能量转换效率等。根据均衡过程中能量转换方式可将其分为能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡。GaoW等采用电容储能，用MOS管控制电容两端的开关从而控制电容的充电和放电，这种拓扑被称为“开关电容法”。Nguyen等采用基于电感的结构，通过控制电感充放电来实现相邻两个电池之间的能量交换。BarontiF等采用基于变压器和开关矩阵的均衡拓扑结构，采用两个方向相反的DC/DC变换器，配合开关矩阵可实现整组电池和任意单体之间进行双向的能量交换。KimCH等采用了基于双向全桥变压器和开关矩阵的拓扑结构，因此只需要一个变压器就能实现双向均衡，结构更加简单，但是对控制的要求相对更高。（2）均衡策略研究现状均衡策略主要研究的是如何选取均衡变量，根据均衡电路的特点设计合适的均衡控制方式，研究目标是缩短均衡时间、减小电池损耗和提升均衡效率。均衡变量的选取主要有电池的外电压、电池的SOC和电池的可用容量等。MohamedDaowd将SOC作为均衡变量，对均衡效果进行了仿真。EinhornM在电池组充放电工况下，仿真及实验验证了以外电压和SOC作为均衡变量的均衡效果，结果均表明在SOC估算准确的前提下，以SOC作为均衡变量的效果更好。杨洪、李索宇等人认为电池组不一致性的本质可以用SOC反映，以SOC作为均衡变量能够提高电池组的能量利用率，但由于目前SOC估算精度和实时性的要求使得系统的负担很大，技术难度大。目前在工程应用中均衡变量仍以外电压为主。1.2.3VSG基本原理及组成传统电力系统中大量采用同步发电机作为并网发电单元，同步发电机具有优良的惯性和阻尼特性，在增加调频调压装置后，能够参与电网频率和电网电压的调节，对电网具有天然友好的特点。而分布式发电需要通过电力电子变流器与外部电网连接，电力电子变流器具有更快的动态响应速度、较低的过载能力、谐波含量高等特点，若能够借鉴传统电力系统中关于同步发电机模型结构，将其引入电力电子变流器的控制，使其模拟同步发电机的运行特性，实现电力电子变流器的电网友好接入，避免其对电网动静态稳定性产生的不利影响，解决分布式发电并网或独立带载所面临的诸多问题。基于这一思想，在传统并网逆变器的直流侧增加一定容量的储能单元，并在逆变器控制中集成同步发电机的电气及控制模型，这就是虚拟同步机(VirtualSynchronousGenerator，VSG)的基本思想。换言之，VSG就是通过模拟同步发电机的本体模型和调频调压特性，使逆变器表现出与同步发电机类似的外部特性，提高分布式发电系统对电网的渗透率。1.3主要研究内容本课题要求研究基于虚拟同步发电机的动力锂离子电池的SOC估计和均衡技术。作为BMS中的关键技术，SOC估计的准确性直接影响电动汽车在使用上的便利性和安全性。均衡技术是决定电池组单体之间一致性的重要技术，是保证电池组安全高效运行的重要手段。本课题研究的主要内容包含以下几个方面：（1）研究锂离子电池的特性，对现有电池模型进行优劣比较，建立一种高精度的电池模型，利用MATLAB来构建模型。（2）分别在不同温度做充放电实验，提取出各温度下电池的响应特性数据，利用这些数据对电池模型参数辨识，并对模型进行验证。（3）研究锂离子电池的SOC估计方法，结合建立的电池模型，研究并实现基于卡尔曼滤波器的SOC估计算法，并对其进行验证。（4）研究锂离子电池组的均衡技术，研究多通道双向主动均衡拓扑和相应的均衡控制策略，完成均衡系统的硬件和软件设计，对均衡系统性能指标和均衡控制策略进行实验验证。

2锂电池特性测试与建模2.1锂电池工作原理锂电池的结构可以分为正负极、电解液、隔膜和外壳四部分，其外形主要有圆柱形和方形两种。如图2.1所示为典型的三元锂电池结构分解图，左侧是镍钴锰酸锂和铝箔组成的正极，通常在正极活性物质中加入导电剂、树脂豁合剂，呈细薄层状涂覆在铝基体上，以便于锂离子的嵌入脱出，右侧是铜箔和石墨组成的负极。负极材料常选择天然石墨、人造石墨、碳纤维等各种碳材料与豁合剂混合，呈薄层状涂覆在铜基上。正负极之间为聚合物隔膜，锂离子Li+可以穿过隔膜而电子e−不能穿过，隔膜是锂离子电池最关键的部分，对电池安全性和成本有直接影响。1—正极；2—隔膜；3—负极；4—电解液图2.1锂离子电池分解图锂电池依赖Li+的浓差工作，以本文的研究对象镍钴锰三元聚合物锂电池为例，其工作原理如图2.2所示，充电时，Li+由正极脱出，穿过电解质聚集在负极，在负极得到电子还原为Li嵌入碳素材料中；放电时，Li在负极失去电子脱出变为Li+，Li+穿过电解质嵌入正极，正负极交替处于富锂态与贫锂态。因此，在充放电循环时，Li+在正负极之间来回移动，在电极上进行“嵌入—脱出”的氧化还原反应，因此也被叫做“摇椅电池”。图2.2锂离子电池工作原理2.2锂电池特性测试新能源汽车动力供电电池是由几十节至几百节的单体电池串并联，只有当所有单体电池性能尽量保持一致，才能使整个电池组运行稳定正常，才能实现电动汽车的最佳工作状态。锂离子电池均衡原理可以参照木桶效应，整个木桶的最短板决定木桶最大容量。因此，对电池组中每个单体电池的监控都很重要，监视每个电池单体能够有效地对电池的SOC进行估算，就能提高整车的能量利用率、保证行车安全和提高电池的使用寿命。图2.3锂离子电池容量-温度关系温度对锂离子电池电量影响很大，其电池容量-温度关系如图2.3所示，温度分别是-5℃、10℃、25℃、40℃所测得的锂离子电池容量参数。从图中可知，温度越变低锂离子电池容量会不断缩小。随着温度的升高，锂离子电池的容量将不断增加。当环境温度达到35℃之后，锂离子电池的容量随温度增加的程度将减缓。该锂离子电池为标称容量2600mAh的松下18650电池，如图25℃为该电池最适宜温度。同时锂离子电池容量与电池健康状况(SOH)有关，随电池老化SOH值下降容量下降。图2.4不同温度放电曲线如图2.4所示为-5℃、10℃、25℃、40℃锂离子电池0.3C倍率放电特性曲线。从图中可以看出-5℃以下的寒冷环境下，锂离子电池性能不佳，输出电压明显偏小。零度以上温度时，温度越高锂离子电池输出电压越高，随着锂离子电池放电过程的进行，电池自身也会产热，使电池性能越来越好。图2.5不同电流放电曲线锂离子电池倍率放电特性呈现电压迟滞效应，原因是锂离子电池电压因为分压作用明显滞后于输出电压。并且放电倍率越大，迟滞作用越明显。如图2.5所示为不同电流的放电曲线，在温度为25℃时6条锂离子电池不同电流放电特性曲线。放电从4.2V到2.75V，放电SOC采用安时积分法。放电特性表明锂离子电池输出电流越大，输出电压就会越小。2.3锂电池模型建立锂离子电池因为其电化学模型的复杂性，目前还没有完全拟合的电路模型可以反应锂离子电池的所有特性。该论文简述4种锂离子电池模型，并且重点陈述戴维宁模型。所有模型原件包括：电阻，电容，电压源。电池模型的各种参数测试标准和测量方法是不固定的，电池出厂时拟合的模型与电池使用多次后拟合的模型是有差别的。提出的模型必须要具有理论或实用价值。目前各种模型适用的范围也各有不同，不同的算法要求精度和计算量决定选择哪一个模型。内阻模型是最简单的电池模型如图2.6所示，它等效于一个电压源串联一个内阻。它也是最经典的模型，当输出电阻等于内阻时电池输出功率将最大。内阻模型的内阻是会改变的，与SOC、温度、电池寿命等都是有关系的。所以可以推广为内阻极化模型，也就是内阻串联一个极化电阻。图2.6内阻模型内阻模型应该是最简单的锂离子电池模型了，它忽略了许多电路参数，无法描述锂离子电池在运行中的极化与电荷积累现象。因此，采用如图2.7所示的内阻极化模型。图2.7内阻极化模型PNGV模型相对其他模型而言更加复杂，它来自脉冲放电。PNGV模型的得出需要用到电路分析的主要原理。PNGV模型如图2.10所示，CP表示负载电流时间累计产生的开路电压变换，RO是内阻，C1图2.10PNGV模型戴维南模型结构如图2.11所示。在线性模型的基础上串联一个并联RC网络，UOC为电动势，RO代表欧姆电阻，R1图2.11戴维南等效电路模型电池的开路电压与SOC的关系是非线性的，标准的PNGV模型由于加入了并联RC环节反映电池内部发生的极化反应。由电化学原理可知，根据极化效应产生的不同原因，通常把极化现象分为浓差极化和电化学极化。两种极化效应产生的原因不同，浓差极化是指电极附近离子浓度由于电极反应而发生变化，溶液中离子的扩散速度不能够弥补这个变化，从而导致电极附近离子浓度与溶液中存在一个浓度梯度，这种浓度差引起电极间的电势差；电化学极化是电化学反应的迟缓性造成的极化现象。因为造成极化现象的原因不同，所以电池对外部表现出的动态响应特性的时间常数是不同的。同时，电池的内阻，开路电压特性和动态响应特性等参数跟环境温度和电池的SOC有关。为了提高模型的精度，针对上述问题，本文在PNGV模型的基础上增加了一个并联的RC环节，并且各参数加入温度和SOC补偿，提出改进的阶PNGV模型，模型结构如图2.13所示。图2.13改进的PNGV模型图2-7中，两个RC环节分别对应了浓差极化现象和电化学极化现象；对模型中的各元件参数进行温度补偿和SOC状态补偿，以减小温度和SOC的变化对模型精度造成的影响。使用MATLAB的Simscape语言建立电池的等效电路模型，如图2.14所示。元件模型C1和C2模拟二阶的极化电容，R1和R2模拟二阶极化内阻，R0模拟欧姆内阻，它们的值均是由SOC的值和温度的值决定的，通过在元件内部构建了一个二维的查找表（LUT），对输入的SOC和温度进行插值，得到元件在不同状态下的特性参数，从而实现对SOC和温度的补偿。元件Em模拟电池内部的开路电压UOC，根据SOC的值输出不同的电压，这也是通过查表方式实现的。图2.14改进的二阶PNGV模型2.4电池模型参数辨识2.4.1电池容量测试电池容量是电池的重要参数，在SOC估计算法中常常起着至关重要的作用。电池容量受温度影响较大，本文通过电池试验平台完成电池单体在温度分别为-10℃、0℃、20℃和40℃下的容量测试。实验过程曲线如图2.15所示，从图中可以看出，电池在低温情况下会更快到达放电截止电压，放出的电量更少。在测试温度范围内和同等放电倍率下，温度越高，电池的容量越大，当温度高于20℃时，电池容量增加缓慢，当温度低于20℃时，电池容量随着温度降低而快速衰减。图2.15不同环境温度下1C倍率的放电曲线电池容量随环境温度变化趋势如图2.16所示，可见，在一定温度范围内，电池容量受温度的影响较大。其中一个原因是，温度较高时，电池的内阻相应较小，放电过程中端电压比低温情况更高，所以温度较高时电池到达截止电压的时间更长，放出的电量更多。利用容量随温度变化规律可对模型中的电池容量进行温度补偿。图2.16不同环境温度下的电池容量2.4.2开路电压曲线标定本文采用的是放电——静置的方法来测量OCV-SOC曲线。图2.17是不同温度下测量的OCV-SOC离散点和通过10阶多项式拟合而得到的OCV-SOC曲线。图2.17是不同温度下测量的OCV-SOC离散点和通过10阶多项式拟合而得到的OCV-SOC曲线。图2.17不同温度下的OCV-SOC的拟合曲线可以看出，在不同温度下电池的OCV-SOC曲线变化趋势一致，不同温度下的开路电压存在一定差异。由图可知，电池的开路电压在SOC=10%~90%的区间变化较平缓，在曲线的两端变化较快，整个曲线呈现出较强的非线性。2.4.3脉冲放电实验电池在SOC小于0.1时模型参数不稳定，并且出于对电池的保护，通常电动汽车在SOC低于0.1时不允许用户继续使用，所以本文辨识参数范围在0.1~1.0之间。以环境温度20℃的情况为例，对电池SOC在0.1~1.0的区间每变化0.1做一次脉冲放电实验，采样周期为1s。根据模型的结构，电压突变是由于内部等效欧姆电阻造成的压降，满足欧姆定律；电压渐变是由两个原因造成的，一是电池在放电过程中电池开路电压随着电量减少不断降低，二是由于电池内部的极化作用造成的。基于脉冲放电实验的数据，可以通过一定的方法对曲线进行分析，得到相应的参数。1）内阻RO根据过程A和过程C的数据，可以方便地得到欧姆内阻RO，计算公式如式（2-2RO=其中，∆U指端电压的变化量，在实际计算时，取A、C过程计算值的均值，如式（2-3RO=(2）电容Cb从脉冲的整个过程看，脉冲放电前电压处于稳态，脉冲放电结束后电压逐渐回升，并在较长时间的静置下电压处于稳态，在两个稳态情况下电池的极化效应几乎为零，因此可以将U1和U5看作电池的开路电压，由改进的PNGV等效电路模型以及电容的性质可得，电容Cb∆UCb=其中∆UCb=U1−∆UCb=其中，∆t是恒流放电的时间，单位是秒。根据式（2-5），可算出Cb的值，Cb=I∆观察以上模型参数变化规律，可得出结论：同一温度下，在SOC低于0.2的区间，欧姆内阻和极化内阻显著增加，说明模型对低SOC比较敏感。欧姆内阻和极化内阻随着温度升高而减小，其中，温度为40℃跟20℃的内阻参数曲线很接近，温度为-10℃、0℃跟20℃的内阻参数曲线差异较大，说明模型的内阻参数对低温更加敏感。2.5模型验证将辨识得到的模型参数导入到模型中，并基于该电池模型搭建如图2.18所示的电池仿真模型。输入的数据有电池的端电压、电流值、SOC参考值和环境温度，其中端电压和电流值均是通过实验仪器记录得到的；SOC参考值是利用电流值和电池的初始状态通过安时积分法计算得到的，模型利用输入的SOC参考值作为SOC补偿的输入参数；由于实验过程是在恒温情况下进行的，所以环境温度是固定值，模型利用输入的温度大小实现温度补偿。通过比较电池电压测量值和模型输出电压来验证模型的准确度。图2.18电池仿真模型作为比较，通过辨识获得了温度为20℃不同SOC下的标准PNGV模型参数，并对两种模型分别进行仿真，对仿真结果进行比较。由于动力电池在工况中通常同时承担能量输出和制动能量回收的作用，因此在运行过程中会发生电流大小突变以及充放电切换等情况。针对这种情况，设计了自定义工况下的电池模型验证实验。自定义工况下的电流如图2.19所示。图中，电流为负值表示对电池充电，电流为正值表示对电池放电，自定义工况的电流符合电池实际工作的情况，具有代表性。图2.19自定义工况电流整个自定义工况实验由若干个重复的自定义电流周期以及零电流区间组成。由于实验过程中需要对电池充电，实验开始前电池的SOC不能为100%，本实验中电池的初始SOC设为95%。在实验前进行充分静置，然后进行自定义工况电流实验，直到SOC低于10%。自定义工况实验过程的电流波形如图2.20所示。图2.20自定义工况实验过程的电流波形同样，对标准的PNGV模型和改进的PNGV模型分别进行了验证，两种模型的输出结果如图2.21所示，两种模型的误差如图2.22所示。图2.21自定义工况下的模型验证图2.22自定义工况下两种模型的误差可以看出，在充放电状态切换和电流大小变化的时刻，模型误差明显增大，同时，在停止充放电并静置一段时间后，模型误差逐渐减小。这是因为自定义工况下电池电流大小各不相同，同时电池充放电状态不断切换，电池的模型参数随充放电状态和电流大小的变化而发生一定的变化，从而导致模型误差相对增大。总体来说，改进的PNGV模型的最大误差在±20mV左右，满足后续SOC估计的需求，在自定义工况下改进模型明显优于标准的PNGV模型。

3基于虚拟同步发电机的锂电池SOC均衡控制技术3.1锂电池的不一致性问题3.1.1锂电池出现不一致性的原因锂电池的不一致性在电池的生产阶段、储存阶段和使用阶段中均有产生，因此，锂电池不一致性的产生一直伴随着电池的整个生命周期。（1）生产阶段锂电池生产过程非常复杂，同时，生产过程中，由于原材料的均一性和生产工艺的限制，即使同批次生产出产品也必然出现一定的差异，要保证这些电池具有完全一致的性能几乎不可能实现。（2）储存阶段锂电池由于自放电的差异，在初始容量一致的情况下，在储存过程中容量和电压会不断发生变化，且变化的量很难保持一致。存储环境的温度和湿度越大，电解质溶剂的氧化速率也就越快，自放电率也就越大。（3）使用阶段动力电池由于工作条件恶劣，工况复杂，使单体间不一致性进一步恶化。电池组中单体由于工作温度、充放电深度等差异，电池性能变化速度也会存在差异，从而使单体的不一致在使用过程中不断增大。3.1.2锂电池出现不一致性的解放方法根据锂电池不一致性产生的原因，解决电池不一致性的最直接和有效的方法是提高原材料质量，提升生产制造工艺。但是在目前的技术水平和成本的限制下，大幅度提高工艺水平很难实现。目前主要从以下几个方面来改善锂电池的不一致性。（1）分选技术分选技术一般以电池电压、容量、内阻等可测量的特性参数作为指标，采取一定方法对电池进行筛选和分类，将各方面性能相近的单体用于同一个电池组的组装。（2）电池包热管理技术由于温度的差异会导致电池不一致加剧，因此在设计电池包时，通过热管理技术使各个电池单体在所有时刻的温度保持一致，可减缓电池在长期使用过程中不一致性的加剧。（3）均衡技术均衡技术能够在电池电压或容量出现一定差异时，通过外部控制电路，使电量高的电池释放能量，给电量低的电池补充能量，从而保证所有电池单体充放电深度不会出现明显差异，防止过冲和过放，避免各电池单体差异的进一步增加。3.2均衡电路拓扑3.2.1均衡拓扑分类根据均衡过程中是否保护电池组能量，均衡拓扑可分为能量耗散型（被动均衡）和能量非耗散型（主动均衡）。（1）能量耗散型均衡图3-1能量耗散型均衡拓扑结构如图3-1所示，为每节单体电池配备一个旁路电阻，通过电阻散热来降低高电压单体的电量，改善单体之间的不一致性。能量耗散型拓扑控制方便，易于实现，成本较低。但这种方法能耗过大，能源效率低，不仅变相的降低了电池组的整体的容量，同时产生的多余热量增加电池管理系统热管理功能的负担，而且散热限制了均衡电流的大小，降低了均衡效率。因此一般用于小容量电池组和对均衡电流要求较低的系统。（2）能量非耗散型均衡能量非耗散型均衡利用储能元件在不同单体之间或单体与电池组之间传递能量，将过充单体的能量转移到组内能量较少的单体中，改善组内电量不一致。根据储能元件的不同可分为电容型、电感型和变压器型。1）电容型如图3-2所示为电容型均衡电路典型拓扑结构，分为多电容法和单电容法。a）多电容型b）单电容型图3-2基于电容的均衡拓扑结构电容型均衡电路均衡电流较大，可以扩展至任意数量单体串联的电池组，开环控制即可实现目标。但只能选择电压为均衡变量，当单体之间能量差异较小时，所需均衡时间过长，很难进一步提高均衡效率。2）电感型图3-3所示为典型的电感型均衡拓扑结构。图3-3基于电感的均衡拓扑结构此类均衡拓扑结构均衡电流较大，均衡变量不再仅限于电压，相比于电容型均衡效率更高，能实现双向均衡，但对开关阵列的控制精度要求更髙，而且电池组中单体数目的显著增多会增加均衡时间。3）变压器型变压器型均衡拓扑以变压器为媒介，通过电磁转换实现能量转移。基本拓扑结构如图3-4所示。图3-4基于变压器的均衡拓扑结构变压器型均衡拓扑不受相邻单体均衡的限制，均衡电流大、速度快，并且能够实现能量双向流动。当单体能量较高，打开相应开关，将能量存储在变压器线圈中；当单体能量较低，将存储在线圈中的能量释放到该单体。但磁饱和问题会威胁系统安全，漏磁现象会造成能量损失，开关时序必须严格控制。变压器型均衡拓扑成本较高，且每个单体都对应一个次绕组，给变压器设计带来了困难，实践中较难实现。变压器结构事先确定，其扩展性也受到限制。3.2.2均衡拓扑的选取在选择均衡拓扑时应综合考虑性能指标、成本要求等因素。常见均衡电路拓扑结构的优缺点如表3-1所示。本文选择电感型均衡拓扑。表3-1各均衡拓扑结构优缺点对比类型均衡电流布置难度控制难度均衡效率可扩展性成本能量耗散型小小低极低好低能量非耗散型电容型小较小较高高好低电感型较大较小高较高较好较高变压器型大大较高高差高3.3均衡策略分析均衡策略的研究应当在选取合适的均衡变量的基础上，对电池组中单体建立不一致性评价指标，确立均衡目标，并据此制定合理有效的控制策略。3.3.1锂电池的主要性能参数在动力电池研究中，可以直接获取的状态参数称为一元参数，主要包括电池电流、电压、温度等。通过一元参数值，可以计算得到的参数称为二元参数，主要包括电池荷电状态（SOC）、电池健康状态（SOH）及剩余可用容量。（1）电池内阻：电池内阻可分为欧姆内阻和极化内阻。欧姆内阻遵循欧姆定律，极化内阻遵循极化效应。氧化还原反应使电解液浓度不断变化，因此电池内阻在一个工作周期内随时间变化而变化。（2）电池电压：电池电压主要有：开路电压（OCV）、工作电压（CCV）和终止电压。开路状态下电池正负极之间的电位差称为开路电压。因为电池内部并不总是处在可逆的热力学状态，因此开路电压不等于电动势。工作电压指持续放电工况下电极两端的实时电位差。受电池内部反应影响，工作电压有时会发生跳变。终止电压即正常放电限制电压。（3）电池容量：电池容量为一定条件下电池所能放出的电量和，单位为Ah或mAh。理论容量是指全部活性物质参与反应时电池所能放出的总电量。额定容量是指电池在规定工作条件下所放出的总电量。实际容量是指在实际使用过程中电池所放出的总电量。随着使用次数增加，实际容量将逐渐下降到额定容量以下。由于温度、老化等原因材料不能完全反应，实际容量低于理论容量。（4）充放电倍率：充放电倍率是指在规定时间内充入/放出额定容量所需的电流。（5）荷电状态（StateofCharge，SOC）：SOC为电池剩余容量与实际容量之比。SOC=0%表示电池已完全放电，SOC=100%表示电池完全充满。其表达式如下：SOC=QCC如果已知电池模块中单体电池的剩余电量，且电路均衡不产生能耗，可得该模块SOC：SOCM=式中，SOCj为各单体SOC值，Cj为各单体容量。能量耗散型均衡会影响电池C=min(SOCj∗C那么电池模块的剰余容量为：CR=min(SOCj电池模块的SOC值为：SOCM=（6）电池健康状态（SOH）：SOH是电池实时使用状态与理想状态的比较结果。SOH=100%表示过检的新出厂产品[66]。电池老化是导致SOH下降的主要原因。3.3.2均衡变量选取下面进一步分析各参数作为均衡变量的优缺点。（1）开路电压（OCV）开路电压易于测量，与SOC正相关，可以表征电池组的不一致性，在电池组处于开路状态时可以达到良好的均衡效果。但当电池进行工作状态的切换，极化内阻恢复过程中的电压并不等于开路电压。而且采用开路电压为均衡变量，只适用于搁置状态，降低了系统工作效率。SOC差异不大的情况下，开路电压变化幅度较小，要求数据采集模块具有较高分辨率以及抗干扰能力。（2）工作电压（CCV）工作电压基本可以反应电池SOC，也易于测量，且无需计算SOC，只需要监控单体电压，减少了系统运算负担。工作电压的变化范围远大于开路电压，降低了对于采集精度的要求。但电动汽车运行工况复杂多变，工作电压相对开路电压稳定性较差，电池SOC处于两端时不易采集和获取，而电池SOC处于中间阶段时变化不显著，要求较高的采集精度，均衡过程的关键控制参数也要进行严格的计算选取，否则会导致系统误判而频繁启闭，增加损耗，降低系统效率。（3）电池的荷电状态（SOC）基于电池SOC的均衡策略以SOC为判据，均衡目标为各单体SOC在限定的阈值范围内达到一致。SOC可以说是最本质的均衡变量，可以使各单体同时达到充放电截止条件，最大限度地提高电池的容量利用率。然而单体间实际容量差异使SOC并不能完全真实地描述不一致性。以SOC一致为均衡目标，也会导致均衡误操作而造成能量损耗，引起系统振荡。而且该方法的均衡效果依赖SOC的实时精确估计。在现有技术条件下，对电池SOC进行精确高效的在线估计尚有较大难度（4）剩余容量以剩余容量为均衡目标可以充分利用组内所有电池的能量，避免“短板效应”，也能够有效避免过均衡的发生，是最理想的均衡策略。常见的四个均衡变量的优缺点，如表3-2所示。表3-2各均衡变量优缺点对比均衡变量开路电压(OCV)工作电压（CCV）荷电状态（SOC）剩余容量优点易测量，稳定，准确1.易测量，准确2.避免过充过放，提高能量利用率1.有效利用整组容量2.避免老化程度不同1.有效利用整组容量2.避免老化程度不同缺点1.限于搁置状态2.变化幅度小，需较高采集精度1.波动幅度大2.易出现误操作1.精度、实时性难以保证2.易出现误操作1.精度、实时性难以保证2.多数限于离线状态总体来说，国内外对以电压为均衡变量研究比较广泛。采用SOC为均衡变量可以更真实的反映电池组电量不一致，但目前SOC在线估算精度较低，大多数研究扔停留在离线仿真阶段。故本文所研究的均衡系统以工作电压为均衡变量。4基于虚拟同步发电机的锂电池SOC均衡控制系统设计4.1硬件设计均衡系统功能的实现依赖于对电池运行过程中的各个参数进行实时采集，包括电池组的电流，单体的电压、温度等，当今电子电力的快速发展出现了很多多功能集成的IC芯片和高精度的传感器，配合相应的外围电路可以满足信号采集的需求。本文设计的主动均衡系统集电池组参数采集、状态监测、均衡控制、数据通讯等功能于一体，相当于一个小型的电池管理系统，为了保证系统具有良好的扩展性，减少均衡模块高频电流产生的电磁干扰对信号采集精度的影响，采用“主-从”式分布架构，主控板包含主控单元和前端芯片，前端芯片可实时采集电池组及单体的状态参数，主控单元进行数据处理并利用串口与上位机进行数据交换。均衡系统的整体方案如图4.1所示。图4.1均衡系统整体方案4.1.1主控板电路设计（1）主控芯片MC9S12XDP512微处理器运算速度快，总线频率高，内置512KB闪存，32KB的RAM。与HS12系列相比，增加了172条操作指令，性能有了很大的提升。另外还具有一个协处理器XGATE，频率高达100MHz，可实现中断、通信等的预处理，以及多任务并行处理。其主要功能框图如图4.2所示，根据主动均衡系统的功能需求，电流、温度等模拟信号经过A/D接口，转化为数字量，控制或驱动信号则由PWM模块或I/O输出，经过专门IC隔离放大后驱动均衡电路。图4.2MC9S12XDP512功能框图主控芯片正常运行所必备的基本外围电路称为最小系统，MC9S12XDP512的最小系统包括电源电路、复位电路、晶振电路和BDM调试接口电路。本文使用一个12V的直流电源模拟车载供电，而主控芯片供电电压为5V，因此使用TLE4275芯片进行电压转换，该芯片可稳定输出5V电压，精度达2%，具备异常情况下的关断保护功能，TLE4275外围电路如图4.3所示，发光二极管用于标识系统通电与否，滤波电容用于稳定输出电压。图4.3电源电路（2）前端芯片图4.4AD7280A功能框图AD7280A是ADI公司开发的一款叠层锂离子电池通用监控芯片，单片AD7280A即可完成4~6节电池的监控管理，其内部的高压输入多路复用器主要用于测量锂电池单元的电压，而辅助ADC输入通道可用来测量温度。AD7280A可选择经过2次、4次或8次电压测量值或辅助通道测量值的均值输出，均值转换结果存储寄存器输入引脚同样可接受六节电池，具备动态提醒功能。主芯片通过SPI与AD7280A主器件通信，各AD7280A通过菊花链连接。AD7280A的内部结构与主要功能如图4.4所示，AD7280A电压采样外围电路如图4.5所示。相邻的两个VINX引脚之间连接保险丝、0.1μF电容以及10KΩ电阻，0.1μF电容与10KΩ电阻构成低通滤波器，截止频率为80Hz，用来滤除高频干扰，保险丝和10KΩ电阻用于保护AD7280A，防止电压、电流过大损坏芯片。默认采用400ns采集时间，此时采集和转换的总时间为1us。图4.5电压采样外围电路AD7280A利用低压辅助ADC通道AUX1至AUX6进行温度釆样，外围电路图如图4.6所示。在电池上表面贴上热敏电阻，其阻值会随着温度的升高而降低，相应地A/D采样得到地电压会发生变化，进而换算得到对应地温度。相关关系式如（4-1）~（4-3）所示。RT=VADCx=(float)Rx=(10∗VADC其中，B为材料常数，RN与RT分别代表常温及温度为T时的热敏电阻值，VAUXx表示采样电压数字量，图4.6温度采样电路（3）电流采集电路目前应用较多的电流测量传感器有两种，一种是利用串联分流电阻进行电流的测量，另一种是基于霍尔电磁感应原理进行电流的测量，参数对比如表4-1所示。分流电阻多采用锰铜合金材料，温漂系数小，成本低廉且检测精度很高，缺点是直接串于高压回路，没有隔离，电阻两端的压降很小，对电压检测的精度要求很高。而霍尔式电流传感器与高压回路隔离，测量范围广，响应速度快，但是精度较低，高精度的霍尔电流传感器成本比较高昂。表4-1霍尔电流传感器与分流电阻对比类型型号阻值精度额定输出额定电流温飘工作温度分流电阻CSLB1000.5mΩ0.1%50mV100A5ppm-55~125℃霍尔效应CHB-125P--0.6%125mA125A100ppm-25~85℃考虑到试制所用电池最大持续放电电流的限制，本文选择基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712ELCTR-20A-T作为电流检测芯片，其电流检测范围为±20A，灵敏度γ为100mV/A，输出误差1.5%，几乎不受温度影响。电路图如图4.7所示，电流由1、2端输入，3、4端输出，VOUTVOUT=γ∗图4.7ACS712外围电路ACS712出厂前已经进行过高精度的校准，为了确保测量准确，使用前再次对其进行标定，在标定过程中在-20~+20A之间，每隔2A来对电池组进行充（放）电，实验数据如表4-3所示，对实验电流与采集电压进行曲线拟合，结果如图4.8所示，即可得到ACS712输入电流与输出电压的对应关系如式(4-5)所示：VOUT=0.09948∗IP表4-3标定电流及ACS712输出电压标定电流/A输出电压/V标定电流/A输出电压/V-200.520802.5150-180.659600.7208-160.937442.9272-141.074162.1288-121.304383.3076-101.5024103.5055-81.7061123.7178-61.9078143.8437-42.1045164.1709-22.3204184.3111标定电流(A)图4.8电流标定拟合曲线（4）隔离前端芯片AD7280A工作在模拟高压端，而主控芯片工作在数字低压端，并且很多采样线要拉到远端电池，浪涌电流可能会通过这些导线进入主电路，从而损坏低压控制电路，不能及时控制外设动作，因此在底端AD7280A主器件使用SPI接口与主控芯片通信及控制报警的CS、SCLK、SDI、SDO、CNVST、PD和ALERT等信号需要进行高压电流隔离，以便保护低压控制端。本文的隔离电路如图4.9所示。图4.9隔离电路原理图（5）通信前端模拟芯片AD7280A通过SPI与主控芯片通信，主控芯片与上位机采用SCI串口通讯。SPI（SerialPeripheralInterface）是串行外设接口的缩写，具有高速、同步、全双工的特点，它可以使外围设备与MCU之间通过串行通信达到交换信息的目的，且只占用4个芯片引脚，既节省资源，也方便PCB布局布线，如图4.10所示。图4.10SPI通讯原理图SCI串口通讯，硬件接口简单，只需RXD、TXD两根数据线，外加一根GND地线就可工作，数据发送端和接受端都有缓冲寄存器，只要发送端连接到接收端就可以开始工作，程序简单，调试方便。单片机与PC计算机由于供电差异，SCI通信时需进行电平转换，普遍采用MAX232电平转换芯片，依照RS232接口电气标准实现电平转换，外围电路图如图4.11所示。图4.11串口外围电路

4.1.2均衡模块电路设计（1）驱动电路MOSFET是电压型控制器件，其栅-源之间有输入电容，在快速PWM控制时要求有充电尖峰电流和放电尖峰电流使极间电容快速充放电，加速开关过程，因此无法直接与单片机控制端口连接，通常要使用专门的驱动电路进行驱动，此外由于均衡主电路电压均为高电压、大电流情况，而控制单元为低电压、弱电流，所以必须进行隔离，既可保护弱电控制电路，又能提高系统抗干扰能力。本文设计最高控制频率为14KHz，综合考虑采用光耦隔离驱动芯片TLP250，其主要性能参数如表4-4所示。表4-4TLP250性能参数表参数名称参数值电源电流11mA（最大）电源电压10~35V输出电流±2.0A开关转换时间0.5uS隔离电压2500Vrms完整的驱动电路如图4.12所示，PWM控制信号由2号管脚输入，3号管脚接地，限流电阻取470Ω，在VCC与GND之间接一个0.1uF的陶瓷电容，其作用是使TLP250内部的高增益放大器工作稳定。TLP250的供电电压范围为+10V~35V，因此采用汽车常用供电电压+12V进行供电。图4.12TLP250外围电路（2）均衡电路基于Cuk与反激DC/DC变换器的复合均衡电路如图4.13所示，各元件参数与本文第三章设计参数保持一致。场效应管的G-S极间的电阻值是很大的，这样只要有少量的静电就能使G-S极间的等效电容两端产生很高的电压，MOS管在开关状态工作时，栅极在反复充、放电状态，如果在此时关闭电源，MOS管的栅极就有两种状态：一种是放电状态，栅极等效电容没有电荷存储；另一个是充电状态，栅极等效电容正好处于电荷充满状态。图4.13均衡电路原理图4.2软件设计4.2.1主程序设计主程序用于协调各个模块子程序的运行，各个子程序相对独立又相互联系，采用模块化的程序设计方案可以使程序简明易读，方便调试和修改，便于移植。主程序设计流程图如图4.14所示。首先要进行系统初始化，包括主控芯片与前端芯片初始化，之后主程序提取前端芯片采集的数据估算SOC，均衡控制模块判断电池不均衡状态，若需要均衡，则查询得到优化后的均衡电流，主程序则使能PWM模块，调节相应开关的控制频率，使均衡电路产生对应的均衡电流，随后循环执行，直至达到均衡阈值。图4.14主程序4.2.2均衡子程序设计依据前文所述的控制策略，均衡子程序根据电池的两种状态分别进行不同的处理方式。当系统处于充电状态时，程序首先获取到所有的单体电压，然后计算电压均值。当平均电压高于4.1V，说明电池组总体上接近充满状态，只需要按照均衡电压容差执行均衡；当平均电压低于4.1V，而部分单体电压高于4.1V时，为了抑制高电压单体的电压增加速度，只对高于4.1V的单体进行放电，并同时对电压低于均衡容差下限的单体进行充电；当电池组中所有单体都低于4.1V时，对所有端电压高于均值10mV的单体放电均衡，对所有端电压低于10mV的单体充电均衡，本文将这种控制方式称为“均值容差均衡”。充电过程中均衡子程序流程图如图4.15所示。图4.15充电均衡子程序流程图当系统处于空闲状态时，均衡首要目标是迅速使电池组达到均衡状态，直接进行端电压均值容差均衡。4.3仿真验证4.3.1验证平台搭建基于前文设计的主动均衡分布式硬件系统方案，采用PADSLayout分别对主控板与均衡板PCB进行设计，打板试制后搭建的主动均衡系统验证平台主要由以下部分构成：6单体串联电池组、充放电测试一体机、主动均衡系统主控板与均衡板、PC端labview上位机、万用表、示波器等设备。图4.16主动均衡系统测试验证平台充放电设备采用新威尔公司生产的BTS-60V40A电池测试一体机，在主动均衡过程中，其电流正负引出接口与电池组总正总负相连，用来实现充放电工况。主控板通过电池端接口、热敏电阻接头、PWM输出接头、SCI接口分别与电池组、均衡板、上位机相连，均衡板通过PWM输入接头、电池端接口分别与主控板和电池组连接。示波器与万用表用来对重要信号进行检测，方便硬件电路的调试。通过上述设备搭建起来的实验台架可以完成串联电池组充放电的全过程监测控制，验证本文设计的主动均衡系统对减小电池组中各单体电池不一致性的效果。4.3.2验证结果与分析控制策略部分对电池组充电和空闲状态分别做了不同的处理，对两种情况分别进行均衡实验。（1）充电均衡实验首先用电子负载将不同单体进行不同程度地放电，然后静止2小时，此时各单体电压基本稳定，测量不同单体电压，电压分布如表4-5所示。充电均衡过程中的各单体电压变化趋势如图4.17所示。表4-5充电均衡前各单体电压值单体编号123456单体电压（V）3.60483.78033.79763.78603.73303.8981单体编号789101112单体电压（V）3.87023.66823.63323.71273.69824.0261图4.17充电均衡过程各单体电压变化趋势图4.17中可以看出，在均衡初期，6、7、12号单体由于均衡充电电流高于充电电流，单体实际上处于放电状态，单体电压成缓慢下降趋势。在4500s时单体电压基本已经控制在容差范围内，此时各单体均衡器已经停止工作。在6800s时单体电压差渐渐增大，超过容差范围后均衡器再次开启，各单体电压很快达到一致，直到有单体电压达到充电截止电压并停止充电，最终电压差在±10mV以内。得益于较高的均衡电流，本均衡系统相比于被动均衡能够大大提高均衡速度。（2）空闲状态均衡实验再次分别将各单体电压调节为不同状态，并静置2小时，此时各单体电压如表4-6所示。开启均衡系统，均衡过程中各单体电压变化趋势如图4.18所示。在6000s时各单体电压已经处于一致状态，各单体电压差在容差范围以内。表4-6空闲均衡前各单体电压值单体编号123456单体电压（V）3.80463.58183.49883.98543.97333.8972单体编号789101112单体电压（V）3.56823.8653.4314.02763.59134.125图4.18空闲均衡过程各单体电压变化趋势5总结与展望5.1总结本文着眼于锂电池组使用过程中出现的不均衡问题，从锂电池数学模型，均衡电路拓扑，均衡策略优化，软硬件系统实现等方面入手，设计了一套较完整的主动均衡方案，主要工作内容与研究成果有：（1）通过查阅资料，分析了锂离子电池SOC估计和均衡技术的研究背景和意义；了解了锂离子电池SOC估计方法和均衡技术的国内外研究现状。（2）了解了锂离子电池的工作原理，基于等效电路模型，提出了一种改进的PNGV模型，基于改进的PNGV模型在MATLAB中完成了模型的搭建，通过脉冲放电实验数据对电池模型的参数辨识。对模型自定义工况实验数据进行仿真。（3）对均衡控制策略进行了研究，选用平均电压作为控制目标，针对充电和空闲两种状态分别采用不同的控制策略，并完成主控板单片机软件开发。在5A充电和空闲状态下分别对均衡系统进行实验，实验数据表明，均衡系统在两种状态下均能够快速使电池组各单体电压到达一致，均衡时间短，充电均衡最终电压差在±10mV以内。5.2展望虽然本文对电池建模，SOC估计算法和均衡系统进行了较深入的研究，但是在很多方面还存在着不足，需再更进一步研究和提高。后期可在以下几个方面进行完善。（1）电池建模没有考虑老化因素。电池随着循环次数的增加，其各项性能会发生一定的衰退，所以随着电池的老化，模型的精度可能变差，需对电池的老化特性进行研究，建立电池的老化模型是下一步需要解决的问题。（2）电动汽车上的动力电池是由多个单体成串使用的，本文实现了电池单体的SOC估计算法，后续要考虑基于本方法对电池组进行SOC估计。

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