【《动力电池均衡技术国内外分析现状文献综述》5400字】

共页第14页动力电池均衡技术国内外研究现状文献综述目录TOC\o"1-3"\h\u31056动力电池均衡技术国内外研究现状文献综述 1257081.1SOC估算研究现状 153711.2主动均衡电路研究现状 316911.3PWM控制系统研究现状 823815参考文献 9均衡系统由SOC估算、均衡电路、PWM控制系统三部分组成。其中，SOC用于提示驾驶人员何时为动力电池组充放电，以及确定电池充放电起始和终止时刻；均衡电路用于通过元器件的储能作用消除电池组不一致性；PWM控制单元用于合理配置均衡能量传递过程中各周期的占空比，同时兼顾均衡时间和效率。1.1SOC估算研究现状SOC可以表征放电深度、作为均衡的开启条件、判断汽车的续航里程，故SOC估算精度对电池寿命的研究、均衡策略的实施效果、保证汽车的稳定运行、提高电池的使用寿命有重要价值。由于SOC无法直接测量，需要通过电流、电压、温度等参数进行预测，且SOC与使用工况、充放电模式有较大关系，影响因素繁多，故动力电池组SOC估算算法是BMS的研究重点[29]。SOC的定义为在一定放电倍率下，剩余容量与总容量之比，即（1-1）式中：Q——电池组充放电后所剩容量；QN——电池组额定容量[30-31]。目前，SOC主要方法包括安时积分法、开路电压法、神经网络法、卡尔曼滤波法等。（1）安时积分法：安时积分法通过对充放电电流i(t)进行积分处理，得到充放电吸收或释放的能量，进而计算SOC数值，公式表示为（1-2）式中：SOC0——SOC初值；η——电池充放电的库伦效率。安时积分法的工作原理简单且易于在工程中实现，但SOC0难以确定，电压测量的精确度对SOC估算误差影响较大，且随着时间的增长，误差会出现累积，特别是在充放电电流变化剧烈的工况下，SOC估算误差会大幅增长，η与循环次数、SOC关系较密切，难以确定，故此方法不宜单独使用，常与开路电压法搭配使用[32-33]。（2）开路电压法：开路电压法以前期测量的Uocv（开路电压）值为基础绘制Uocv-SOC曲线，通过测量电池的Uocv后，查表得到SOC值。该方法原理简单易懂，估算误差较小，避免了AH积分法的累计误差和SOC0难以确定的问题，但电池经过充放电后，其内部的电化学作用尚未结束，故应静置一段时间后，才可以测得准确的Uocv，即Uocv的滞后效应会影响SOC估算精度，所以开路电压法只适用于汽车处于驻车状态，通常为其他方法提供SOC初始量，此方法仅适用于实验室理论研究，不宜工程推广[34-38]。（3）神经网络法：神经网络法属于机器学习法的一种，在SOC估算中较常用的是BP网络，它是由许多神经元彼此连接构成的网络系统，不依赖任何电池物理或化学模型，只需不断归纳训练数据的内在关联，总结出样本的变化规律，强大的数据处理功能使其具备非线性映射能力，且该方法对于各类型动力电池的SOC估算均适用，泛化能力较强，但神经网络对训练数据的质量要求极高，SOC的影响因素较多会造成系统输入变量维数大，使待优化的权值和阈值数据多，训练过程繁琐，此外，BP网络对初始权重敏感，易陷入局部最优状态[39-40]。（4）Kalman滤波法：Kalman滤波算法是估计动态线性系统内部状态的最佳算法之一，它通过锂电池模型和内部参数的数理关系得到系统的观测方程与状态方程，模型观测量为电池工作电压，以自回归的方式递推得到最小方差的SOC估算值[41-43]。Kalman滤波法可以修正系统偏差以减轻外部扰动影响，使估计误差减小，但该算法只能用于线性估算，而电池是一个典型的非线性系统，故产生许多改进型Kalman滤波算法，例如文献[44-45]提出EKF算法，EKF应用二阶或高阶泰勒展开式将非线性系统进行线性化处理，然后运用Kalman滤波估算SOC，EKF可以修正SOC初始误差，同时可抑制电池系统的噪声干扰，故适用于电流波动剧烈的实际工况，但在线性化的过程中会存在阶段误差；针对EKF的不足，文献[46-47]提出UKF算法，其通过在估计点附近进行UT变换，使sigma点集的协方差与原统计特性一致，再对sigma点集进行非线性映射，即得状态概率密度函数，理论上UKF可至少达到二阶精度。因此，Kalman滤波法及其衍生算法估算精度较高，对SOC初始值不敏感，然而，此算法过于依赖模型精度，且虽然高阶模型能较好地表征动力电池的充放电特性，但其参数辨识过程随着阶数的升高变得愈发复杂，难以同时兼顾准确性和计算量。因此，各SOC算法特点见表1-2。表1-2SOC估算方法优缺点汇总Tab.1-2SummaryofadvantagesanddisadvantagesofSOCestimationmethods估算方法优点缺点安时积分法计算量低、实时性好SOC初值确定困难、存在累计误差开路电压法原理简单、估算精度较高只适用于汽车处于停车状态神经网络法不依赖于模型精度、可实现在线预测网络结构复杂、计算量大Kalman滤波法精度高、闭环反馈效果好过于依赖模型精确度，高阶模型参数辨识过程较复杂1.2主动均衡电路研究现状根据均衡能量传递方式的差异，动力锂离子电池均衡电路分为主动均衡电路和被动均衡电路，被动均衡电路指在每个电池上并联旁路电阻，即开关电阻式均衡，当电池需要参与均衡时，电池对电阻放电即可消除电池组能量不一致现象，被动均衡控制过程简单，速度快，但无能量转换功能，浪费强电池的多余能量，均衡效率极低，且需要增加散热装置以吸收电阻生热，其结构见图1-1。图1-1开关电阻式被动均衡电路Fig.1-1Switchresistivepassiveequalizationcircuit主动均衡指利用电感、电容、正反激变换器等储能元器件完成电池间的能量传递，其均衡效率远高于被动均衡电路，但控制过程较繁琐，还需制定合理的均衡策略，按照能量传递元件的不同，主动均衡电路可分为电容均衡、电感均衡、感容式均衡、变压器均衡等结构形式。（1）电容均衡：电容均衡结构指通过电容器实现单体电池间或者单体电池与电池模组间的能量传递。这种方式不是通过控制电流，而是通过电压实现开关的开闭，降低电池组的不一致性。文献[48-49]提出开关电容式均衡结构，该结构见图1-2，其利用开关组阵的转换作用，使电容器在相邻单体间切换，高电压电池的多余能量通过电容传递至相邻的低电压电池，该均衡结构的拓展能力较强，易于控制和实现，在实际中应用广泛，但该结构只能实现能量在两相邻单体电池间传递，当电压差较大的两单体相距较远时，高压单体需要经过多个中间单体才能将能量转移至低压单体，能量流动路径过长，导致均衡能量的无谓损耗增加，此外，它还存在冲击电流大的缺陷[50]。图1-2开关电容式均衡结构Fig.1-2Switched-capacitorbalancedstructure文献[51]提出飞渡电容式均衡结构，其应用开关阵列实现电容在任意两单体电池间并联切换，改善开关电容式结构能量传递的缺陷，减小了开关损耗且加快均衡速度，但该电路仅包含一个电容器，且无法实现多个单体同时均衡，即当需要参与均衡的单体增多时，均衡效果下降[52]。（2）电感均衡：电感均衡结构指通过储能电感实现均衡能量的转移，与电容均衡不同的是，该结构的能量传递不受压差限制，即当电池间压差较小时，能量依然可以实现快速转移。文献[53]提出的双向Buck-Boost电路是典型的电感式均衡电路，该结构见图1-3，当均衡开启时，在开关闭合阶段强电池将多余的能量转移至电感后，开关断开，电感的能量即转移至相邻的弱电池，此电路结构简单，成本较低，且控制易于实现，理论上可无限拓展，但其只能实现能量在两单体间迂回传递，当能量传递路径较长时，均衡效果受限[54]。图1-3双向Buck-Boost均衡电路Fig.1-3Two-wayBuck-Boostequalizationcircuit（3）感容均衡：感容式均衡指应用电容和电感的储能作用，结合开关开闭以实现均衡。文献[55-56]提出Cuk斩波器电路，该结构见图1-4，当均衡功能开启时，在强电池侧开关闭合和弱电池侧开关断开阶段，强电池对强电池侧电感充电，电容对弱电池及其对应电感充电，在强电池侧开关断开和弱电池侧开关闭合阶段，与强电池侧电感对电容充电的同时，弱电池侧电感对弱电池充电，Cuk电路的显著优点为在相邻参与均衡电池中，均衡充放电电流连续，故均衡速度快，但所需的电容、电感等器件较多，成本增加，且由于能量仅能在相邻两电池间进行传递，所以当电池组参与均衡的电池数增加时，均衡速度下降，均衡耗损量增加。图1-4Cuk斩波器均衡电路Fig.1-4Cukchopperequalizationcircuit文献[57]提出LC振荡电路，该结构见图1-5，通过电感和电容构成谐振回路，采用类似全桥的开关转换模式，完成均衡能量的传递，该结构通过控制LC谐振频率实现开关零电流开闭，降低开关损耗，但均衡后期谐振电流减小会显著降低均衡速度，影响均衡效果[58-59]。图1-5LC振荡电路Fig.1-5LCoscillatorcircuit（4）变压器均衡：变压器均衡指应用变压器的正反激特性实现单体电池间或单体电池与电池模组间的能量传递。文献[60-62]提出反激变压器式均衡电路，此结构见图1-6，该电路在每个单体上并联一副边，当均衡功能开启时，PWM控制强电池侧开关导通，强电池的能量转移至对应副边，并通过变压器的耦合作用将能量传递至弱电池。图1-6反激变压器式均衡电路Fig.1-6Flybacktransformertypeequalizationcircuit文献[63]提出正激变压器式均衡电路，该结构见图1-7，此结构通过控制开关矩阵使单体电池接至变压器的低压侧，电池组接至高压侧，实现单体电池和电池组间的能量传递。变压器结构的均衡速度快、效率高，能量转移路径不局限于相邻单体，但单体数增加会致使副边数量增多，不仅绕制困难，且变压器占地空间也会增加，成本高，拓展性差，且漏感和磁阻也会造成回路损耗增加[15、64-65]。图1-7正激变压器式均衡电路Figure1-7Forwardtransformertypeequalizationcircuit因此，各种主动均衡电路的优缺点见表1-3。表1-3各种主动均衡电路优缺点Tab.1-3Advantagesanddisadvantagesofvariouspositiveequalizationcircuits均衡电路优点缺点开关电容电路拓展能力较强，易于控制和实现电压差较大的两单体相距较远时，均衡损耗增大、冲击电流大飞渡电容电路能量在任意两电池见任意传递需要参与均衡的电池增多，效果下降双向Buck-Boost电路结构简单，成本较低，拓展性好能量传递路径仅局限于相邻电池Cuk斩波器均衡充放电电流连续器件较多、成本高、需要参与均衡的电池增多，效果下降LC振荡电路开关零电流开闭，降低开关损耗后期均衡电流小，速度慢反激变压器能量转换能力强、传递路径不受限拓展性差、成本高正激变压器能量转换能力强、传递路径不受限开关较多，且结构复杂1.3PWM控制系统研究现状PWM系统通过控制均衡过程中各周期的开关占空比，使储能元件发挥其最大作用，实现均衡的最优化，PWM控制可分为固定占空比控制、固定参数控制、变参数控制等形式。（1）固定占空比控制：固定占空比控制指从均衡功能开启至结束的每个均衡能量传递周期内，占空比均固定不变，目前，多数研究均采用这种控制方式。此方式控制过程简单，易于在工程中实现，但不能根据电池组的不一致性程度调整占空比，电容、电感等元器件的储能作用无法充分发挥，均衡效果会受限。（2）固定参数控制：固定参数控制指在均衡过程中PWM控制器参数固定不变，最常用的是传统线性PID控制器，它通过计算实际误差与期望误差的偏差，再结合PID控制器的三个特征参数计算获取占空比对MOSFET开关输出脉冲以消除偏差。此方式结构简单，几乎适用于任何控制系统，抗干扰能力较强且其调节整定不依赖于系统的具体模型，但积分反馈的引入可能造成闭环控制不灵敏，易造成积分饱和、系统振荡[66]。（3）变参数控制：变参数控制指在均衡过程中PWM控制参数随电池被控参量变化实时可调，最常用的是基于传统PID控制器的衍生PID控制器，如文献[67]提出的非线性PID控制器，该方案以偏差为自变量建立关于KP、KI、KD的方程在提升均衡效果的同时，使系统响应快，减少超调量；文献[68]提出自适应模糊PID控制器，该方案应用稳定边界法整定PID基本参数，在应用模糊逻辑控制调节PID修正参数ΔKP、ΔKI、ΔKD，使被控参量拥有良好的动态性、控制准确的特点，避免复杂的建模过程，另一方面通过模糊控制器对ΔKP、ΔKI、ΔKD的在线修正，提升均衡速度。因此，变参数控制可以实现控制器参数的实时调节，是均衡效果尽可能最优化，缺点是控制较复杂，不易实现。因此，各种主要PWM控制方法的优缺点见表1-4。表1-4PWM控制方法的优缺点Tab.1-4AdvantagesanddisadvantagesofPWMcontrolmethod控制方法优点缺点固定占空比控制控制过程简单，参数无需任何调节占空比参数无法随控制过程实时可调固定参数控制适应性好、鲁棒性强，各参数相对独立特征参数不变，无法满足各种情况，且易产生副作用振荡和积分饱和变参数控制控制精确，可快速缩小偏差，且维持较高均衡效率特征参数调节过程计算量大不易实现参考文献[1]折宝林.多AGV智能停车场集中式控制调度管理系统研究[D].西安：西安理工大学,2020[2]陈雅韵.我国新能源汽车产业的发展研究[D].北京：首都经济贸易大学,2017[3]容毅楠.电动汽车锂离子电池荷电状态估计方法研究[D].北京：北京理工大学,2016[4]吴会敏.我国新能源汽车的现状及前景分析[D].吉林：吉林大学,2014[5]杨亚坤.点火提前角对氢燃料发动机燃烧及排放特性的影响研究[D].郑州：华北水利水电大学,2016[6]刘红锐.蓄电池组均衡器及均衡策略研究[D].天津：天津大学,2014[7]王春旋.催化转化器起燃特性与多结构流场仿真研究[D].广州：华南理工大学,2010[8]YongjianWu,ChunhuanLuo,WeiWu,etal.RemovingNO_x,COandHCfromautomobileexhaustbasedonchemicalloopingcombustion[J].JournalofChemicalTechnology&Biotechnology,2019,94（9）：2969-2979[9]Radhakrishnan,Kalyanasundharam,Ravichandran,etal.AnovelmethodofunburnedhydrocarbonsandNOxgasescapturefromvehicularexhaustusingnaturalbiosorbent[J].SeparationScienceandTechnology,2018,53（1）：13-21[10]ParkerMatthewC,JiangChangzhao,ButcherDaniel,etal.Impactandobservationsofcylinderdeactivationandreactivationinadownsizedgasolineturbochargeddirectinjectionengine[J].InternationalJournalofEngineResearch,2021,22（4）：1367-1376[11]RedelMacíasMaríaD.,LeivaCandiaDavidE.,SorianoJoséA.,etal.InfluenceofShortCarbon-ChainAlcohol（Ethanoland1-Propanol）/DieselFuelBlendsoverDieselEngineEmissions[J].Energies,2021,14（5）：1309-1309[12]WangYuesen,ChenYu,LiangXingyu,etal.Impactsoflubricatingoilanditsformulationsondieselengineparticlecharacteristics[J].CombustionandFlame,2021,225：48-56[13]AlbersA,RobensG,SchwarzA,etal.SchmitzJ.Indoorpass-bynoisetestingofhybridelectricalvehiclesonanacousticrollertestbench[J].INTER-NOISEandNOISE-CONCongressandConferenceProceedings,2010,2010(10):985-994[14]MirosławKarczewski,LeszekSzczęch,FilipPolak,etal.AnalysisofElectricVehi