锂离子电池均衡电路的设计与仿真

锂离子电池均衡电路的设计与仿真

为了广泛应用锂电池，延长锂电池组件的使用寿命，降低新能源汽车的成本，提高电池的有效平衡是电池技术的中心概念之一。设计了一种结构简单损耗较小性价比高的基于多电容拓扑结构的均衡电路系统并实验仿真其性能，实验证明该电路很好地实现了电池组内各单体电池的端电压均衡。引言：动力电池技术作为制约新能源汽车产业发展的技术瓶颈，除了动力电池本身有一定性能缺陷外，电池不合理成组和电池不科学管理，极大地对动力电池组的性能和电池寿命产生了不利影响，不利于为车辆提供稳定、安全和可靠的动力。为广泛应用锂离子动力电池，延长锂离子电池组的使用寿命，增加电动汽车的续驶里程，降低新能源汽车成本，电池组内电池的有效均衡成为目前电池关键技术之一。因此，研究如何有效管理锂离子电池，设计有效锂离子电池均衡电路和有效锂离子电池均衡算法具有较强的工程实用价值。论文的目的主要是设计一类结构简单有效的电路系统用于电池组的均衡。1.动态均衡电路目前有着形式丰富多样均衡电路拓扑结构，但总体来说可以划分为两大类：能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡。1）能量耗散型拓扑结构，该结构在每节电池上并联一个电阻和一个开关S，控制系统根据对电池组的实时检测结果控制开关S的通断，用电阻来耗散某节电池的能量。该类均衡拓扑结构方案结构简单，控制策略复杂度低，放电速度快，可多个电池单体同时放电。缺点是：均衡过程中，分流电阻消耗了动力电池组的能量，均衡效率较低，难以适应快速均衡的要求。被动式均衡已经不能代表动力电池均衡技术的主流发展方向。2）能量非耗散型拓扑结构能量非耗散型拓扑结构多是利用储能元件及所搭建的均衡外电路实现电池间能量的相互传递或转移。无损耗均衡电路首先由NasserHKut提出，他提出的方案为使用开关电容转移高能量单体的能量给低能量单体，具体为：基于开关电池理论，利用电容的无能量消耗器件，通过一定的电路拓扑结构，先将高能单体高出的能量转移到电容中，后利用开关理论将电感电容中储存的能量转移到低能量单体中。按照转移介质的不同，能量转移法可分为开关电容法和DC-DC转换器法。●开关电容型MohamedDaowd、FedericoBaronti、A.C.Baughman等人利用电容型均衡拓扑结构对能量进行转移。开关电容法是在每两个相邻的单体电池之间通过开关器件与一个电容并联，在充放电过程中，通过切换开关，控制电容器存储释放能量，以实现能量在电池间的转移。通过控制开关器件驱动信号PWM的占空比实现相邻两个电池之间能量的传递。该方法控制简单，可实现充电和放电均衡，如果要在电池组最前端和最末端的电池间均衡则需要能量层层传递，均衡效率较低。总的来说，开关电容均衡方法的结构也比较简单，容易控制，能量损耗比较小，但均衡的速度慢，对大电流快速充电的场合不适用且对异常情况的适应性较差。图1是电容型转移的原理说明。其中电路b是电路a的改进型，当cell1的电压大于cell2的电压时，开关S1和S2将会同时打到左边。●DC-DC转换器法DC-DC转换器法按照均衡电路的拓扑结构分为集中式均衡和分布式均衡，理论上讲，DC-DC转换器法没有能量损耗，均衡速度快，是目前国内外主流的均衡方法。DC-DC转换器法有不同的拓扑，主要有集中式变压器均衡法和分布式变压器均衡法。但该类均衡电路结构复杂，控制策略难度较大。2.低电压单元均衡电荷转移基于多电容的均衡拓扑结构主要原理就是通过开关的切换来实现相邻电池之间电荷的转移，通过这种简单操作，就可以实现相邻电池之间的电荷转移，使得电荷从高电压单元传递到低电压单元，从而实现电池的均衡。通过仿真可以清楚地看到电池的电压参数波动最终回平，这种通过simulink仿真的方法简单明了，可以直观地观察到最均衡过程。2.1sim对控制系统的设计仿真系统采用simulink设计完成，根据均衡电路实现仿真设计，图2是总体设计图。首先打开Simulink仿真系统，所有的原件都可以在SimulinkLibraryBrowser中可以找到。按照电路原理中的模块排放好，依次连接起来，再设置完成各功能模块参数，即完成了仿真系统的设计。其中系统采样率的设置，一般较为精确地仿真可以设置为1e-6或者视情况更高。2.2主要功能模块trowelldgorte-n系统结构pulsegenerator在这里表示信号发生器，仿真系统的控制信号就是由它产生的，但是后面需要接上一个ControlledVoltageSource模块才能输出电压信号，接到电路中。如下图3是pulsegenerator的模块图。每一个子系统subsystem中放置一个goto模块，goto与一个经过运算后的输入信号连接。对goto中的tag命名，可以在tagvisibility选择不同的类型如local/scope/global。数据的模块Multimeter是Simpowersystems子库中常用的一个测量数据的模块，与万用表的功能基本一致，主要用于测量电路原件或支路的电压和电流，并且能够显示被测参数的波形，实现对电网络的仿真分析。在分析电路时灵活使用该模块可以简化电路的复杂度，Multimeter模块的符号如下图4所示。直接显示和图形显示两种呈现形式通常情况下，Matlab/Simulink仿真的结果有两种呈现形式，一种是直接以数据的形式保存，另外一种就是以图形的形式显示出来。Scope模块可以用于显示接入的信号波形，如下图5是scope模块的符号图和仿真效果图：管口开口开关tg多电容拓扑结构的工作原理中已提及开关的作用，主要是通过控制开关的通断状态来实现电池组之间电荷的转移，图6是理想开关模块的符号。理想开关模块不对应于特定的物理设备。当与适当的开关逻辑一起使用时，它可以用于表征简化的半导体器件GTO或MOSFET，或者是具有电流斩波的电源断路器。该开关被模拟为电阻和由逻辑门信号控制的开关并联而成。理想的开关块完全由栅极信号控制（G>0或G=0）。它具有以下特性，当G=0时，阻断了外部施加的电压，从而也就没有了电流，开关断开。在G>0时有电流流经，开关接通。被触发时，开关的通断状态瞬间切换。理想开关开启时在栅极输入端存在正信号（g>0），当门信号等于0(g=0）时，开关关闭。考虑到实际使用中为减小大电流对开关的损害，仿真系统中的开关模块还包含一系列RS-CS缓冲电路，该缓冲电路可以与理想开关并联（在节点1和2之间）。2.3电池单体均衡以上就是主要模块的功能介绍，依照电路图连接各模块就可以得到系统仿真图，点击Scope3可以观察到三节电池的均衡过程。将均衡过程电压信号波形的时间轴和幅度轴局部放大后如图8和图9所示。上图7、8、9中横坐标是时间轴，纵坐标表示各单体电池电压，最终电池电压幅度回归到一条线上，实现了电池单体的电量均衡。利用电容的充放电特性通过开关控制来实现均衡，是一种不需要依赖于电压检测精度的均衡方案。但是关断时电流回路中会产生很大的电流，可能会造成电路中电路器损坏，缩短电容器的使用寿命，甚至烧毁电容器。3.均衡系统