鋰離子電池均衡電路的設(shè)計(jì)與仿真

鋰離子電池均衡電路的設(shè)計(jì)與仿真

為了廣泛應(yīng)用鋰電池，延長(zhǎng)鋰電池組件的使用壽命，降低新能源汽車(chē)的成本，提高電池的有效平衡是電池技術(shù)的中心概念之一。設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單損耗較小性價(jià)比高的基于多電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均衡電路系統(tǒng)并實(shí)驗(yàn)仿真其性能，實(shí)驗(yàn)證明該電路很好地實(shí)現(xiàn)了電池組內(nèi)各單體電池的端電壓均衡。引言：動(dòng)力電池技術(shù)作為制約新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，除了動(dòng)力電池本身有一定性能缺陷外，電池不合理成組和電池不科學(xué)管理，極大地對(duì)動(dòng)力電池組的性能和電池壽命產(chǎn)生了不利影響，不利于為車(chē)輛提供穩(wěn)定、安全和可靠的動(dòng)力。為廣泛應(yīng)用鋰離子動(dòng)力電池，延長(zhǎng)鋰離子電池組的使用壽命，增加電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)駛里程，降低新能源汽車(chē)成本，電池組內(nèi)電池的有效均衡成為目前電池關(guān)鍵技術(shù)之一。因此，研究如何有效管理鋰離子電池，設(shè)計(jì)有效鋰離子電池均衡電路和有效鋰離子電池均衡算法具有較強(qiáng)的工程實(shí)用價(jià)值。論文的目的主要是設(shè)計(jì)一類(lèi)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單有效的電路系統(tǒng)用于電池組的均衡。1.動(dòng)態(tài)均衡電路目前有著形式豐富多樣均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但總體來(lái)說(shuō)可以劃分為兩大類(lèi)：能量耗散型均衡和能量非耗散型均衡。1）能量耗散型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在每節(jié)電池上并聯(lián)一個(gè)電阻和一個(gè)開(kāi)關(guān)S，控制系統(tǒng)根據(jù)對(duì)電池組的實(shí)時(shí)檢測(cè)結(jié)果控制開(kāi)關(guān)S的通斷，用電阻來(lái)耗散某節(jié)電池的能量。該類(lèi)均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制策略復(fù)雜度低，放電速度快，可多個(gè)電池單體同時(shí)放電。缺點(diǎn)是：均衡過(guò)程中，分流電阻消耗了動(dòng)力電池組的能量，均衡效率較低，難以適應(yīng)快速均衡的要求。被動(dòng)式均衡已經(jīng)不能代表動(dòng)力電池均衡技術(shù)的主流發(fā)展方向。2）能量非耗散型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能量非耗散型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多是利用儲(chǔ)能元件及所搭建的均衡外電路實(shí)現(xiàn)電池間能量的相互傳遞或轉(zhuǎn)移。無(wú)損耗均衡電路首先由NasserHKut提出，他提出的方案為使用開(kāi)關(guān)電容轉(zhuǎn)移高能量單體的能量給低能量單體，具體為：基于開(kāi)關(guān)電池理論，利用電容的無(wú)能量消耗器件，通過(guò)一定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，先將高能單體高出的能量轉(zhuǎn)移到電容中，后利用開(kāi)關(guān)理論將電感電容中儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)移到低能量單體中。按照轉(zhuǎn)移介質(zhì)的不同，能量轉(zhuǎn)移法可分為開(kāi)關(guān)電容法和DC-DC轉(zhuǎn)換器法?！耖_(kāi)關(guān)電容型MohamedDaowd、FedericoBaronti、A.C.Baughman等人利用電容型均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)能量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。開(kāi)關(guān)電容法是在每?jī)蓚€(gè)相鄰的單體電池之間通過(guò)開(kāi)關(guān)器件與一個(gè)電容并聯(lián)，在充放電過(guò)程中，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，控制電容器存儲(chǔ)釋放能量，以實(shí)現(xiàn)能量在電池間的轉(zhuǎn)移。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)PWM的占空比實(shí)現(xiàn)相鄰兩個(gè)電池之間能量的傳遞。該方法控制簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)充電和放電均衡，如果要在電池組最前端和最末端的電池間均衡則需要能量層層傳遞，均衡效率較低?？偟膩?lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電容均衡方法的結(jié)構(gòu)也比較簡(jiǎn)單，容易控制，能量損耗比較小，但均衡的速度慢，對(duì)大電流快速充電的場(chǎng)合不適用且對(duì)異常情況的適應(yīng)性較差。圖1是電容型轉(zhuǎn)移的原理說(shuō)明。其中電路b是電路a的改進(jìn)型，當(dāng)cell1的電壓大于cell2的電壓時(shí)，開(kāi)關(guān)S1和S2將會(huì)同時(shí)打到左邊?！馜C-DC轉(zhuǎn)換器法DC-DC轉(zhuǎn)換器法按照均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為集中式均衡和分布式均衡，理論上講，DC-DC轉(zhuǎn)換器法沒(méi)有能量損耗，均衡速度快，是目前國(guó)內(nèi)外主流的均衡方法。DC-DC轉(zhuǎn)換器法有不同的拓?fù)?，主要有集中式變壓器均衡法和分布式變壓器均衡法。但該?lèi)均衡電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制策略難度較大。2.低電壓?jiǎn)卧怆姾赊D(zhuǎn)移基于多電容的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要原理就是通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)相鄰電池之間電荷的轉(zhuǎn)移，通過(guò)這種簡(jiǎn)單操作，就可以實(shí)現(xiàn)相鄰電池之間的電荷轉(zhuǎn)移，使得電荷從高電壓?jiǎn)卧獋鬟f到低電壓?jiǎn)卧瑥亩鴮?shí)現(xiàn)電池的均衡。通過(guò)仿真可以清楚地看到電池的電壓參數(shù)波動(dòng)最終回平，這種通過(guò)simulink仿真的方法簡(jiǎn)單明了，可以直觀地觀察到最均衡過(guò)程。2.1sim對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真系統(tǒng)采用simulink設(shè)計(jì)完成，根據(jù)均衡電路實(shí)現(xiàn)仿真設(shè)計(jì)，圖2是總體設(shè)計(jì)圖。首先打開(kāi)Simulink仿真系統(tǒng)，所有的原件都可以在SimulinkLibraryBrowser中可以找到。按照電路原理中的模塊排放好，依次連接起來(lái)，再設(shè)置完成各功能模塊參數(shù)，即完成了仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。其中系統(tǒng)采樣率的設(shè)置，一般較為精確地仿真可以設(shè)置為1e-6或者視情況更高。2.2主要功能模塊trowelldgorte-n系統(tǒng)結(jié)構(gòu)pulsegenerator在這里表示信號(hào)發(fā)生器，仿真系統(tǒng)的控制信號(hào)就是由它產(chǎn)生的，但是后面需要接上一個(gè)ControlledVoltageSource模塊才能輸出電壓信號(hào)，接到電路中。如下圖3是pulsegenerator的模塊圖。每一個(gè)子系統(tǒng)subsystem中放置一個(gè)goto模塊，goto與一個(gè)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后的輸入信號(hào)連接。對(duì)goto中的tag命名，可以在tagvisibility選擇不同的類(lèi)型如local/scope/global。數(shù)據(jù)的模塊Multimeter是Simpowersystems子庫(kù)中常用的一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)的模塊，與萬(wàn)用表的功能基本一致，主要用于測(cè)量電路原件或支路的電壓和電流，并且能夠顯示被測(cè)參數(shù)的波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)絡(luò)的仿真分析。在分析電路時(shí)靈活使用該模塊可以簡(jiǎn)化電路的復(fù)雜度，Multimeter模塊的符號(hào)如下圖4所示。直接顯示和圖形顯示兩種呈現(xiàn)形式通常情況下，Matlab/Simulink仿真的結(jié)果有兩種呈現(xiàn)形式，一種是直接以數(shù)據(jù)的形式保存，另外一種就是以圖形的形式顯示出來(lái)。Scope模塊可以用于顯示接入的信號(hào)波形，如下圖5是scope模塊的符號(hào)圖和仿真效果圖：管口開(kāi)口開(kāi)關(guān)tg多電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理中已提及開(kāi)關(guān)的作用，主要是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)電池組之間電荷的轉(zhuǎn)移，圖6是理想開(kāi)關(guān)模塊的符號(hào)。理想開(kāi)關(guān)模塊不對(duì)應(yīng)于特定的物理設(shè)備。當(dāng)與適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)邏輯一起使用時(shí)，它可以用于表征簡(jiǎn)化的半導(dǎo)體器件GTO或MOSFET，或者是具有電流斬波的電源斷路器。該開(kāi)關(guān)被模擬為電阻和由邏輯門(mén)信號(hào)控制的開(kāi)關(guān)并聯(lián)而成。理想的開(kāi)關(guān)塊完全由柵極信號(hào)控制（G>0或G=0）。它具有以下特性，當(dāng)G=0時(shí)，阻斷了外部施加的電壓，從而也就沒(méi)有了電流，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。在G>0時(shí)有電流流經(jīng)，開(kāi)關(guān)接通。被觸發(fā)時(shí)，開(kāi)關(guān)的通斷狀態(tài)瞬間切換。理想開(kāi)關(guān)開(kāi)啟時(shí)在柵極輸入端存在正信號(hào)（g>0），當(dāng)門(mén)信號(hào)等于0(g=0）時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉。考慮到實(shí)際使用中為減小大電流對(duì)開(kāi)關(guān)的損害，仿真系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)模塊還包含一系列RS-CS緩沖電路，該緩沖電路可以與理想開(kāi)關(guān)并聯(lián)（在節(jié)點(diǎn)1和2之間）。2.3電池單體均衡以上就是主要模塊的功能介紹，依照電路圖連接各模塊就可以得到系統(tǒng)仿真圖，點(diǎn)擊Scope3可以觀察到三節(jié)電池的均衡過(guò)程。將均衡過(guò)程電壓信號(hào)波形的時(shí)間軸和幅度軸局部放大后如圖8和圖9所示。上圖7、8、9中橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，縱坐標(biāo)表示各單體電池電壓，最終電池電壓幅度回歸到一條線上，實(shí)現(xiàn)了電池單體的電量均衡。利用電容的充放電特性通過(guò)開(kāi)關(guān)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)均衡，是一種不需要依賴于電壓檢測(cè)精度的均衡方案。但是關(guān)斷時(shí)電流回路中會(huì)產(chǎn)生很大的電流，可能會(huì)造成電路中電路器損壞，縮短電容器的使用壽命，甚至燒毀電容器。3.均衡系統(tǒng)