串聯(lián)電池組主動均衡拓?fù)浼翱刂撇呗匝芯?/h1>
2022-06-03 08:42:18唐傳雨王天如孫金磊
電源學(xué)報(bào) 2022年3期
劉 威，唐傳雨，王天如，那 偉，孫金磊
（1.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210094；2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201112）
能源危機(jī)及環(huán)境破壞是當(dāng)下社會的熱點(diǎn)問題，各國都在積極推進(jìn)新能源技術(shù)的研究[1]。在新能源技術(shù)中，鋰離子電池以其能量密度高、無記憶效應(yīng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類儲能系統(tǒng)中[2]。為了滿足高電壓或大功率的需求，需要將大量的電池單體串、并聯(lián)構(gòu)成電池組使用。由于制作工藝與使用環(huán)境的不同，各單體電池間容量、內(nèi)阻等參數(shù)存在不一致[3]。在電池組反復(fù)充、放電的過程中，電池參數(shù)間的不一致性將會逐漸積累，表現(xiàn)出電量不均衡，導(dǎo)致電池組可用容量下降、電池組整體功率性能衰退等問題[4]。電池均衡技術(shù)是解決電池組不一致性、提高系統(tǒng)性能的有效方法[5]。
均衡按照能量轉(zhuǎn)移形式可以分為被動均衡和主動均衡兩大類[6]。被動均衡主要采用電阻等耗散元件將多余能量耗散，其結(jié)構(gòu)簡單，但能量以熱量形式散失，影響電池組正常工作[7]；主動均衡電路主要包括基于電感、電容、變壓器的電路拓?fù)?，相比于被動均衡方法，有效改善了能量轉(zhuǎn)移模式，使能量在電池組內(nèi)部重新分配[8]。基于電感的電路拓?fù)渲贿m用于相鄰電池單體間傳遞能量，效率低，靈活性差[9-10]；基于電容的電路拓?fù)渚庑Ч芟抻陔妷翰畹拇笮?，均衡能力差[11-12]。因此本文選用基于變壓器的均衡拓?fù)?，均衡效率高，效果好[13-15]。文獻(xiàn)[13]采用了單變壓器與反激變換器的均衡拓?fù)?，每?jié)電池都需要接入均衡器，成本高，控制復(fù)雜。文獻(xiàn)[14-15]均采用多繞組變壓器與反激變換器的均衡拓?fù)?，?shí)現(xiàn)了電池單體-電池組間能量的雙向流動，均衡效率高，但多繞組變壓器體積大、成本高?？紤]到變壓器體積大、成本高的限制，因此本文選用開關(guān)矩陣與變壓器相結(jié)合的拓?fù)洌瞄_關(guān)矩陣對指定的電池單體進(jìn)行均衡控制?？紤]到反激變換器電壓、電流輸出特性差和瞬態(tài)控制特性差等缺點(diǎn)[16]，本文中均衡主電路采用以正激變壓器為基礎(chǔ)的雙向DC/DC變換器，其電流輸出脈動小，負(fù)載特性好。
目前，針對不同均衡電路的拓?fù)溲芯枯^多，而均衡控制策略研究相對較少。根據(jù)電池一致性的判斷依據(jù)，均衡控制策略可分為電壓一致、荷電狀態(tài)SOC（state-of-charge）一致、容量一致3 種[17]。基于電壓一致的均衡方法實(shí)現(xiàn)簡單，但由于電池內(nèi)阻、極化等因素的影響，電池電壓不能充分反映電池實(shí)際狀態(tài)，易導(dǎo)致過均衡的問題[18]。而基于SOC 一致及容量一致的方法雖然計(jì)算量相對大，但能夠反映電池當(dāng)前狀態(tài)，均衡效果好[19]。因此本文提出了一種基于聚類分析的SOC 均衡控制策略。區(qū)別于通過設(shè)定電壓閾值進(jìn)行均衡控制的傳統(tǒng)方法，所提出的均衡策略采用SOC 一致作為判斷條件，避免了過均衡，而基于聚類分析的方法實(shí)現(xiàn)了動態(tài)調(diào)節(jié)判斷條件，避免了固定閾值的局限性。
本文主要分為3 個部分：均衡電路拓?fù)?、均衡控制策略及?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先介紹以開關(guān)陣列和基于正激變換器的雙向DC/DC 變換器為組合的均衡主電路拓?fù)?，分析其工作原理。其次提出一種基于聚類分析的電池組主動均衡策略，闡述聚類原理、分析均衡策略。最后通過實(shí)驗(yàn)測試，對均衡系統(tǒng)及控制策略的性能進(jìn)行驗(yàn)證。
1 雙向均衡拓?fù)?/h2>1.1 開關(guān)陣列
均衡主電路主要由開關(guān)陣列和以正激變換器為基礎(chǔ)的雙向DC/DC 變換器組成。開關(guān)陣列由電池通道選擇開關(guān)陣列CSW（cell-switch-matrix）和極性選擇開關(guān)陣列PSW（polarity-switch-matrix）組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1（a）所示。奇數(shù)編號的電池單體充放電時極性選擇開關(guān)中的PSW1和PSW4導(dǎo)通，偶數(shù)編號的電池單體極性選擇開關(guān)對應(yīng)為PSW2和PSW3。以圖1（b）奇數(shù)編號1 號電池單體充電為例介紹開關(guān)矩陣工作狀態(tài)，當(dāng)1 號電池充電時，控制電池選擇開關(guān)CSW0和CSW1導(dǎo)通、極性選擇開關(guān)PSW1和PSW4導(dǎo)通，其余開關(guān)全部關(guān)斷。1 號電池放電時，電流路徑相同，方向相反。
圖1 開關(guān)陣列Fig.1 Switch matrix
1.2 雙向DC/DC 變換器
如圖2 所示，雙向DC/DC 變換器以單端正激變換器為基礎(chǔ)，主要包括低壓側(cè)濾波電容C1、電感L、開關(guān)管Q1、Q2、變壓器T、開關(guān)管Q3、高壓側(cè)濾波電容C3、由電容C2和開關(guān)管Q4構(gòu)成的磁復(fù)位電路。變換器低壓側(cè)接入單體電池，高壓側(cè)接入+12 V能量分配模塊。能量由高壓側(cè)流向低壓側(cè)時，控制開關(guān)管Q3的占空比控制傳輸能量的大?。荒芰坑傻蛪簜?cè)流向高壓側(cè)時，開關(guān)管Q1進(jìn)行開關(guān)動作控制傳輸能量的大小。R1、R2作為反饋電阻用來反映電路電流，采用峰值電流控制避免電流過大、破壞電路。
圖2 雙向DC/DC 變換器Fig.2 Bidirectional DC/DC converter
如圖3 所示，單體電池充電可分為2 個階段。階段1：開關(guān)管Q2、Q3導(dǎo)通，+12 V 能量分配模塊向低壓側(cè)傳遞能量，電流路徑如圖3（b）所示；階段2：開關(guān)管Q1導(dǎo)通，低壓側(cè)單體電池回路續(xù)流，開關(guān)管Q4導(dǎo)通，高壓側(cè)繞組磁復(fù)位，電流路徑如圖3（c）所示。
圖3 單體電池充電時序及均衡回路Fig.3 Time sequence and equalization path during charging process of single battery cell
如圖4 所示，單體電池放電可分為2 個階段。階段1：開關(guān)管Q1導(dǎo)通，電感L 儲能，電流路徑如圖4（b）所示；階段2：開關(guān)管Q2、Q3導(dǎo)通，電感L 釋放能量、變壓器由低壓側(cè)向高壓側(cè)傳遞能量，電流路徑如圖4（c）所示。
圖4 單體電池放電時序及均衡回路Fig.4 Time sequence and equalization path during discharging process of single battery cell
2 基于聚類分析的電池組主動均衡策略
2.1 聚類方法原理
聚類分析是將多個對象根據(jù)其統(tǒng)一特征進(jìn)行分組的分析過程，聚類分析的目標(biāo)是在對象相似的基礎(chǔ)上收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[20]。針對電池組主動均衡問題，利用聚類分析法，以電池單體的SOC 為特征變量，將串聯(lián)電池組中的電池單體分為兩類：第一類是電池單體間SOC 分布接近、不需要均衡的電池單體；第二類是電池單體間SOC 分布差異大、需要均衡的電池單體。通過電池組聚類分析，明確需要均衡的電池單體及其對應(yīng)的均衡措施。
聚類分析原理為：聚類分析的開啟條件為SOC分布峰峰值的限制，即SOC 最大值與最小值之差大于設(shè)定的閾值。SOC 由其初值及安時積分法確定。聚類的目標(biāo)函數(shù)是需要均衡的電池單體數(shù)量最少，提高均衡效率。聚類過程具體步驟如下：
（1）對當(dāng)前時刻SOC 分布排序，若SOC 最大值、最小值之差小于設(shè)定的閾值，則不需要均衡；若之差大于閾值，則繼續(xù)下述步驟；
（2）在當(dāng)前時刻SOC 數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一點(diǎn)為中心點(diǎn)，計(jì)算滿足邊界條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)即為當(dāng)前點(diǎn)的密度，邊界條件定義為數(shù)據(jù)點(diǎn)與中心點(diǎn)間距離小于設(shè)定的閾值（本文實(shí)驗(yàn)中閾值設(shè)定為5%）；
（3）更新中心點(diǎn)，計(jì)算當(dāng)前中心點(diǎn)密度，若當(dāng)前中心點(diǎn)密度最大且與前一次中心點(diǎn)密度差距小于閾值，則停止更新中心點(diǎn)，中心點(diǎn)更新概率與該點(diǎn)密度成反比。中心點(diǎn)迭代收斂之后，根據(jù)當(dāng)前中心點(diǎn)的邊界條件確定分類。滿足當(dāng)前中心點(diǎn)邊界條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)即為不需要均衡的一類，不滿足邊界條件的分為需要均衡的一類。
聚類分析原理模型為
式中：c 為聚類中心；Cap為電池可用容量。
2.2 基于聚類分析的均衡策略
均衡控制策略采用基于正激變換器的電路拓?fù)鋵﹄姵貑误w進(jìn)行主動均衡，其工作方式及流程如圖5 所示。
圖5 系統(tǒng)均衡流程Fig.5 Flow chart of system equalization
首先更新電池單體的SOC 分布，根據(jù)SOC 分布不一致程度判斷是否進(jìn)行均衡操作，若SOCmax與SOCmin差值大于設(shè)定的閾值則開啟均衡：以SOC 為特征變量，對電池單體進(jìn)行聚類分析，得到需要進(jìn)行均衡的電池單體并判斷均衡極性。主控模塊根據(jù)聚類結(jié)果發(fā)送均衡指令給均衡模塊，均衡模塊識別均衡指令，對SOC 值較高的電池單體進(jìn)行放電、SOC 值較低的電池單體進(jìn)行充電。均衡時間由均衡電量與均衡電流共同決定。均衡電量是需要均衡的電池單體電量與電池組所有電池單體當(dāng)前電量的平均值之差，即將需要均衡的電池單體電量均衡至電池組所有電量的平均值。若均衡計(jì)時結(jié)束則主動均衡操作停止。
SOC 分布估計(jì)是根據(jù)開路電壓OCV（open-circuit-voltage）、荷電狀態(tài)函數(shù)關(guān)系，即OCV-SOC 函數(shù)曲線，進(jìn)行估計(jì)并作為SOC 初值。系統(tǒng)運(yùn)行時采集電流，利用安時積分法計(jì)算SOC。若系統(tǒng)靜置5 h 以上，由OCV-SOC 函數(shù)曲線進(jìn)行SOC 估計(jì)作為SOC 初值；若系統(tǒng)靜置小于5 h，則讀取上一次系統(tǒng)工作時保存的SOC 作為SOC 初值。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)及均衡策略的有效性，實(shí)驗(yàn)選取8 節(jié)電池單體串聯(lián)構(gòu)成電池組，利用電池測試儀Neware BTS4000 對電池進(jìn)行充放電，設(shè)定電池組不均衡程度，由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)和均衡策略對電池組進(jìn)行均衡操作。電池基本參數(shù)如表1 所示，均衡系統(tǒng)如圖6 所示。
表1 電池基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of battery cells
圖6 均衡系統(tǒng)Fig.6 Equalization system
均衡系統(tǒng)包括主控芯片、開關(guān)陣列、雙向DC/DC變換器、電池監(jiān)測芯片及+12 V 電源。其中+12 V 能量分配模塊由4 節(jié)32650 磷酸鐵鋰電池單體串聯(lián)組成，單體額定電壓3.2 V，額定容量5 A·h。+12 V 能量分配模塊是作為單體電池能量雙向流動的媒介。
3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)及均衡策略的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：選用8 節(jié)電池單體串聯(lián)構(gòu)成電池組，編號分別為1～8。利用電池測試儀Neware BTS4000 對電池單體進(jìn)行充放電，設(shè)定電池組不均衡程度，8 節(jié)電池單體初始SOC 分別為42%、51%、40%、53%、59%、50%、60%和56%。針對不均衡電池組，首先進(jìn)行聚類分析，確定需要均衡的電池單體編號及均衡操作，由安時積分法計(jì)算均衡時間；其次利用均衡系統(tǒng)將聚類分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為均衡指令，控制開關(guān)陣列及雙向DC/DC 變換器進(jìn)行均衡操作。在電池組不均衡的情況下，對電池組進(jìn)行恒流充放電，記錄電池組可用容量Cap1；在電池組進(jìn)行均衡后，對電池組進(jìn)行恒流充放電，記錄電池組可用容量Cap2。在電池組恒流放電時，若任意電池單體達(dá)到下限電壓則停止放電，則記錄電池組放出的電量即為電池組整體可用容量。其測試方法為：①對串聯(lián)電池組恒流充電，若有電池單體達(dá)到電壓上限則停止充電；②對串聯(lián)電池組恒流放電，若有電池單體達(dá)到電壓下限則停止放電，記錄放電階段放出的電量即為電池組可用容量。通過比較均衡操作前后Cap1、Cap2的大小，可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)均衡系統(tǒng)的有效性。為了進(jìn)一步證明均衡策略的有效性，設(shè)立對照組與實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行比較分析?？紤]到電池組串聯(lián)使用時的“短板效應(yīng)”，電池組中電量最高及最低的兩節(jié)電池單體對電池組可用容量影響最大。因此對照組采用傳統(tǒng)的“平均差”法，即將SOC 最低（40%）、最高（60%）分別對應(yīng)的3、7 號電池單體均衡至電池組SOC 平均值（51%）。實(shí)驗(yàn)組即為聚類分析確定的均衡對象。記錄兩種方法對應(yīng)的均衡時間及均衡操作結(jié)束后電池組的可用容量，對其進(jìn)行比較與分析。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
針對不均衡電池組的聚類分析結(jié)果如圖7 所示，“○” 標(biāo)示的電池單體即為需要均衡的電池單體，“*”代表的即為聚類中心。由圖7 可見，需要均衡為1、3、6 號電池單體。根據(jù)均衡策略，需要均衡的電池單體SOC 均衡至串聯(lián)電池組SOC 平均值（51%）。
圖7 聚類分析結(jié)果Fig.7 Results of clustering analysis
考慮到均衡時間與均衡電流的相關(guān)性及均衡快速性的要求，本文中均衡電流峰值設(shè)定為2 A（電池額定容量2.2 A·h）。均衡過程中電流波形如圖8 所示，采用脈沖電流，電流峰值為2 A（電流表標(biāo)度200 mV/A），電流周期為9 s，其中工作8 s，停止1 s。均衡過程中電壓波形如圖9 所示，由于均衡電流大，因此均衡過程中電壓波動大，但是電壓波動在電池電壓上下限范圍內(nèi)，滿足電池安全性要求。均衡過程中以SOC 一致為目標(biāo)，均衡過程中SOC 采用安時積分法計(jì)算，電壓波動不影響SOC估計(jì)結(jié)果，因此對均衡效果無影響。
圖8 均衡電流Fig.8 Current during equalization
圖9 均衡過程中電壓波形Fig.9 Voltage waveforms during equalization
均衡操作結(jié)束后，由電池組可用容量的變化進(jìn)一步驗(yàn)證均衡策略的有效性。測試電池組可用容量步驟為：①對串聯(lián)電池組0.5C 恒流充電，若有電池單體達(dá)到電壓上限4.2 V，則停止充電；②對串聯(lián)電池組0.5C 恒流放電，若達(dá)到電壓下限2.75 V，則停止放電。記錄放電階段電量即為電池組可用容量。均衡操作前后SOC 分布及電池組可用容量測試過程如圖10 所示。
2 種方法的均衡時間及電池組可用容量的數(shù)據(jù)見表2。
由圖10 及表2 中的數(shù)據(jù)對比可知，均衡操作前電池組可用容量為1.750 A·h；經(jīng)過“平均差”法均衡操作后，電池組可用容量提升至1.795 A·h，提升了2.6%；經(jīng)過聚類分析法均衡操作后，電池組可用容量提升至1.939 A·h，提升了10.8%。經(jīng)過均衡操作后，電池組可用容量有所提升，證明了所提出的均衡系統(tǒng)的有效性。由均衡時間及均衡效果進(jìn)一步比較可知，兩種均衡方法均衡時間基本一致，但本文所提出的均衡策略對于電池一致性的改善更明顯，對于電池組可用容量的提升遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)方法，在保證均衡快速性的前提下均衡效果更好。因此，可以得出結(jié)論，所提出的均衡策略及均衡系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)部電池單體與外部電源之間的雙向能量傳遞，達(dá)到了各電池單體電量均衡、提升電池組性能的目標(biāo)。
圖10 均衡操作前后SOC 分布及電池組可用容量測試過程Fig.10 Distribution of SOCs and testing process of available capacity of battery pack before and after equalization
表2 不同均衡方法均衡時間及可用容量Tab.2 Equalization time and available capacity using different equalization methods
4 結(jié)語
本文針對串聯(lián)電池組均衡問題展開研究，提出了基于正激變換器的雙向DC/DC 變換器及開關(guān)陣列構(gòu)成的主動均衡主電路拓?fù)?，以外部電源為能量傳輸中介，?shí)現(xiàn)了電池單體的充、放電均衡操作。在分析均衡主電路拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出了一種基于聚類分析的電池組主動均衡策略。搭建電池均衡實(shí)驗(yàn)平臺，以8 節(jié)單體串聯(lián)構(gòu)成的電池組為研究對象，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)均衡時間和均衡效果全面對比了傳統(tǒng)的“平均差”法均衡策略與所提出的基于聚類分析的均衡策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的均衡策略可用容量提升10.8%，與傳統(tǒng)的“平均差”法可用容量提升2.6%相比，在保證均衡快速性的前提下，電池組可用容量的提升更多，改善了電池組的性能。
猜你喜歡
用提問來串聯(lián)吧故事作文·低年級(2023年11期)2023-12-05 06:39:56 用提問來串聯(lián)吧故事作文·低年級(2023年12期)2023-03-24 14:16:52 Scratch 3.9更新了什么?電腦報(bào)(2020年12期)2020-06-30 19:56:42 如何設(shè)置造型中心點(diǎn)？電腦報(bào)(2019年4期)2019-09-10 07:22:44 2017年7月原電池及原電池組產(chǎn)量同比增長2.53%消費(fèi)導(dǎo)刊(2017年19期)2017-12-13 08:30:52 審批由“串聯(lián)”改“并聯(lián)”好在哪里?中國環(huán)境監(jiān)察(2016年7期)2016-10-23 05:36:30 我曾經(jīng)去北京串聯(lián)中國現(xiàn)當(dāng)代社會文化訪談錄(2016年0期)2016-09-26 08:46:23 漢字藝術(shù)結(jié)構(gòu)解析(二)中心點(diǎn)處筆畫應(yīng)緊奏少兒美術(shù)·書法版(2016年1期)2016-02-06 00:59:39 尋找視覺中心點(diǎn)大眾攝影(2015年9期)2015-09-06 17:05:41 基于LTC6802的電池組均衡電路設(shè)計(jì)電源技術(shù)(2015年11期)2015-08-22 08:50:42
劉 威，唐傳雨，王天如，那 偉，孫金磊
（1.南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，南京 210094；2.上海航天電源技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 201112）
能源危機(jī)及環(huán)境破壞是當(dāng)下社會的熱點(diǎn)問題，各國都在積極推進(jìn)新能源技術(shù)的研究[1]。在新能源技術(shù)中，鋰離子電池以其能量密度高、無記憶效應(yīng)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于各類儲能系統(tǒng)中[2]。為了滿足高電壓或大功率的需求，需要將大量的電池單體串、并聯(lián)構(gòu)成電池組使用。由于制作工藝與使用環(huán)境的不同，各單體電池間容量、內(nèi)阻等參數(shù)存在不一致[3]。在電池組反復(fù)充、放電的過程中，電池參數(shù)間的不一致性將會逐漸積累，表現(xiàn)出電量不均衡，導(dǎo)致電池組可用容量下降、電池組整體功率性能衰退等問題[4]。電池均衡技術(shù)是解決電池組不一致性、提高系統(tǒng)性能的有效方法[5]。
均衡按照能量轉(zhuǎn)移形式可以分為被動均衡和主動均衡兩大類[6]。被動均衡主要采用電阻等耗散元件將多余能量耗散，其結(jié)構(gòu)簡單，但能量以熱量形式散失，影響電池組正常工作[7]；主動均衡電路主要包括基于電感、電容、變壓器的電路拓?fù)?，相比于被動均衡方法，有效改善了能量轉(zhuǎn)移模式，使能量在電池組內(nèi)部重新分配[8]。基于電感的電路拓?fù)渲贿m用于相鄰電池單體間傳遞能量，效率低，靈活性差[9-10]；基于電容的電路拓?fù)渚庑Ч芟抻陔妷翰畹拇笮?，均衡能力差[11-12]。因此本文選用基于變壓器的均衡拓?fù)?，均衡效率高，效果好[13-15]。文獻(xiàn)[13]采用了單變壓器與反激變換器的均衡拓?fù)?，每?jié)電池都需要接入均衡器，成本高，控制復(fù)雜。文獻(xiàn)[14-15]均采用多繞組變壓器與反激變換器的均衡拓?fù)?，?shí)現(xiàn)了電池單體-電池組間能量的雙向流動，均衡效率高，但多繞組變壓器體積大、成本高?？紤]到變壓器體積大、成本高的限制，因此本文選用開關(guān)矩陣與變壓器相結(jié)合的拓?fù)洌瞄_關(guān)矩陣對指定的電池單體進(jìn)行均衡控制?？紤]到反激變換器電壓、電流輸出特性差和瞬態(tài)控制特性差等缺點(diǎn)[16]，本文中均衡主電路采用以正激變壓器為基礎(chǔ)的雙向DC/DC變換器，其電流輸出脈動小，負(fù)載特性好。
目前，針對不同均衡電路的拓?fù)溲芯枯^多，而均衡控制策略研究相對較少。根據(jù)電池一致性的判斷依據(jù)，均衡控制策略可分為電壓一致、荷電狀態(tài)SOC（state-of-charge）一致、容量一致3 種[17]。基于電壓一致的均衡方法實(shí)現(xiàn)簡單，但由于電池內(nèi)阻、極化等因素的影響，電池電壓不能充分反映電池實(shí)際狀態(tài)，易導(dǎo)致過均衡的問題[18]。而基于SOC 一致及容量一致的方法雖然計(jì)算量相對大，但能夠反映電池當(dāng)前狀態(tài)，均衡效果好[19]。因此本文提出了一種基于聚類分析的SOC 均衡控制策略。區(qū)別于通過設(shè)定電壓閾值進(jìn)行均衡控制的傳統(tǒng)方法，所提出的均衡策略采用SOC 一致作為判斷條件，避免了過均衡，而基于聚類分析的方法實(shí)現(xiàn)了動態(tài)調(diào)節(jié)判斷條件，避免了固定閾值的局限性。
本文主要分為3 個部分：均衡電路拓?fù)?、均衡控制策略及?shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先介紹以開關(guān)陣列和基于正激變換器的雙向DC/DC 變換器為組合的均衡主電路拓?fù)?，分析其工作原理。其次提出一種基于聚類分析的電池組主動均衡策略，闡述聚類原理、分析均衡策略。最后通過實(shí)驗(yàn)測試，對均衡系統(tǒng)及控制策略的性能進(jìn)行驗(yàn)證。
1 雙向均衡拓?fù)?/h2>1.1 開關(guān)陣列
均衡主電路主要由開關(guān)陣列和以正激變換器為基礎(chǔ)的雙向DC/DC 變換器組成。開關(guān)陣列由電池通道選擇開關(guān)陣列CSW（cell-switch-matrix）和極性選擇開關(guān)陣列PSW（polarity-switch-matrix）組成，其結(jié)構(gòu)示意如圖1（a）所示。奇數(shù)編號的電池單體充放電時極性選擇開關(guān)中的PSW1和PSW4導(dǎo)通，偶數(shù)編號的電池單體極性選擇開關(guān)對應(yīng)為PSW2和PSW3。以圖1（b）奇數(shù)編號1 號電池單體充電為例介紹開關(guān)矩陣工作狀態(tài)，當(dāng)1 號電池充電時，控制電池選擇開關(guān)CSW0和CSW1導(dǎo)通、極性選擇開關(guān)PSW1和PSW4導(dǎo)通，其余開關(guān)全部關(guān)斷。1 號電池放電時，電流路徑相同，方向相反。
圖1 開關(guān)陣列Fig.1 Switch matrix
1.2 雙向DC/DC 變換器
如圖2 所示，雙向DC/DC 變換器以單端正激變換器為基礎(chǔ)，主要包括低壓側(cè)濾波電容C1、電感L、開關(guān)管Q1、Q2、變壓器T、開關(guān)管Q3、高壓側(cè)濾波電容C3、由電容C2和開關(guān)管Q4構(gòu)成的磁復(fù)位電路。變換器低壓側(cè)接入單體電池，高壓側(cè)接入+12 V能量分配模塊。能量由高壓側(cè)流向低壓側(cè)時，控制開關(guān)管Q3的占空比控制傳輸能量的大?。荒芰坑傻蛪簜?cè)流向高壓側(cè)時，開關(guān)管Q1進(jìn)行開關(guān)動作控制傳輸能量的大小。R1、R2作為反饋電阻用來反映電路電流，采用峰值電流控制避免電流過大、破壞電路。
圖2 雙向DC/DC 變換器Fig.2 Bidirectional DC/DC converter
如圖3 所示，單體電池充電可分為2 個階段。階段1：開關(guān)管Q2、Q3導(dǎo)通，+12 V 能量分配模塊向低壓側(cè)傳遞能量，電流路徑如圖3（b）所示；階段2：開關(guān)管Q1導(dǎo)通，低壓側(cè)單體電池回路續(xù)流，開關(guān)管Q4導(dǎo)通，高壓側(cè)繞組磁復(fù)位，電流路徑如圖3（c）所示。
圖3 單體電池充電時序及均衡回路Fig.3 Time sequence and equalization path during charging process of single battery cell
如圖4 所示，單體電池放電可分為2 個階段。階段1：開關(guān)管Q1導(dǎo)通，電感L 儲能，電流路徑如圖4（b）所示；階段2：開關(guān)管Q2、Q3導(dǎo)通，電感L 釋放能量、變壓器由低壓側(cè)向高壓側(cè)傳遞能量，電流路徑如圖4（c）所示。
圖4 單體電池放電時序及均衡回路Fig.4 Time sequence and equalization path during discharging process of single battery cell
2 基于聚類分析的電池組主動均衡策略
2.1 聚類方法原理
聚類分析是將多個對象根據(jù)其統(tǒng)一特征進(jìn)行分組的分析過程，聚類分析的目標(biāo)是在對象相似的基礎(chǔ)上收集數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[20]。針對電池組主動均衡問題，利用聚類分析法，以電池單體的SOC 為特征變量，將串聯(lián)電池組中的電池單體分為兩類：第一類是電池單體間SOC 分布接近、不需要均衡的電池單體；第二類是電池單體間SOC 分布差異大、需要均衡的電池單體。通過電池組聚類分析，明確需要均衡的電池單體及其對應(yīng)的均衡措施。
聚類分析原理為：聚類分析的開啟條件為SOC分布峰峰值的限制，即SOC 最大值與最小值之差大于設(shè)定的閾值。SOC 由其初值及安時積分法確定。聚類的目標(biāo)函數(shù)是需要均衡的電池單體數(shù)量最少，提高均衡效率。聚類過程具體步驟如下：
（1）對當(dāng)前時刻SOC 分布排序，若SOC 最大值、最小值之差小于設(shè)定的閾值，則不需要均衡；若之差大于閾值，則繼續(xù)下述步驟；
（2）在當(dāng)前時刻SOC 數(shù)據(jù)中隨機(jī)選取一點(diǎn)為中心點(diǎn)，計(jì)算滿足邊界條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)個數(shù)即為當(dāng)前點(diǎn)的密度，邊界條件定義為數(shù)據(jù)點(diǎn)與中心點(diǎn)間距離小于設(shè)定的閾值（本文實(shí)驗(yàn)中閾值設(shè)定為5%）；
（3）更新中心點(diǎn)，計(jì)算當(dāng)前中心點(diǎn)密度，若當(dāng)前中心點(diǎn)密度最大且與前一次中心點(diǎn)密度差距小于閾值，則停止更新中心點(diǎn)，中心點(diǎn)更新概率與該點(diǎn)密度成反比。中心點(diǎn)迭代收斂之后，根據(jù)當(dāng)前中心點(diǎn)的邊界條件確定分類。滿足當(dāng)前中心點(diǎn)邊界條件的數(shù)據(jù)點(diǎn)即為不需要均衡的一類，不滿足邊界條件的分為需要均衡的一類。
聚類分析原理模型為
式中：c 為聚類中心；Cap為電池可用容量。
2.2 基于聚類分析的均衡策略
均衡控制策略采用基于正激變換器的電路拓?fù)鋵﹄姵貑误w進(jìn)行主動均衡，其工作方式及流程如圖5 所示。
圖5 系統(tǒng)均衡流程Fig.5 Flow chart of system equalization
首先更新電池單體的SOC 分布，根據(jù)SOC 分布不一致程度判斷是否進(jìn)行均衡操作，若SOCmax與SOCmin差值大于設(shè)定的閾值則開啟均衡：以SOC 為特征變量，對電池單體進(jìn)行聚類分析，得到需要進(jìn)行均衡的電池單體并判斷均衡極性。主控模塊根據(jù)聚類結(jié)果發(fā)送均衡指令給均衡模塊，均衡模塊識別均衡指令，對SOC 值較高的電池單體進(jìn)行放電、SOC 值較低的電池單體進(jìn)行充電。均衡時間由均衡電量與均衡電流共同決定。均衡電量是需要均衡的電池單體電量與電池組所有電池單體當(dāng)前電量的平均值之差，即將需要均衡的電池單體電量均衡至電池組所有電量的平均值。若均衡計(jì)時結(jié)束則主動均衡操作停止。
SOC 分布估計(jì)是根據(jù)開路電壓OCV（open-circuit-voltage）、荷電狀態(tài)函數(shù)關(guān)系，即OCV-SOC 函數(shù)曲線，進(jìn)行估計(jì)并作為SOC 初值。系統(tǒng)運(yùn)行時采集電流，利用安時積分法計(jì)算SOC。若系統(tǒng)靜置5 h 以上，由OCV-SOC 函數(shù)曲線進(jìn)行SOC 估計(jì)作為SOC 初值；若系統(tǒng)靜置小于5 h，則讀取上一次系統(tǒng)工作時保存的SOC 作為SOC 初值。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)及均衡策略的有效性，實(shí)驗(yàn)選取8 節(jié)電池單體串聯(lián)構(gòu)成電池組，利用電池測試儀Neware BTS4000 對電池進(jìn)行充放電，設(shè)定電池組不均衡程度，由實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)和均衡策略對電池組進(jìn)行均衡操作。電池基本參數(shù)如表1 所示，均衡系統(tǒng)如圖6 所示。
表1 電池基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of battery cells
圖6 均衡系統(tǒng)Fig.6 Equalization system
均衡系統(tǒng)包括主控芯片、開關(guān)陣列、雙向DC/DC變換器、電池監(jiān)測芯片及+12 V 電源。其中+12 V 能量分配模塊由4 節(jié)32650 磷酸鐵鋰電池單體串聯(lián)組成，單體額定電壓3.2 V，額定容量5 A·h。+12 V 能量分配模塊是作為單體電池能量雙向流動的媒介。
3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的均衡系統(tǒng)及均衡策略的有效性，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)：選用8 節(jié)電池單體串聯(lián)構(gòu)成電池組，編號分別為1～8。利用電池測試儀Neware BTS4000 對電池單體進(jìn)行充放電，設(shè)定電池組不均衡程度，8 節(jié)電池單體初始SOC 分別為42%、51%、40%、53%、59%、50%、60%和56%。針對不均衡電池組，首先進(jìn)行聚類分析，確定需要均衡的電池單體編號及均衡操作，由安時積分法計(jì)算均衡時間；其次利用均衡系統(tǒng)將聚類分析結(jié)果轉(zhuǎn)換為均衡指令，控制開關(guān)陣列及雙向DC/DC 變換器進(jìn)行均衡操作。在電池組不均衡的情況下，對電池組進(jìn)行恒流充放電，記錄電池組可用容量Cap1；在電池組進(jìn)行均衡后，對電池組進(jìn)行恒流充放電，記錄電池組可用容量Cap2。在電池組恒流放電時，若任意電池單體達(dá)到下限電壓則停止放電，則記錄電池組放出的電量即為電池組整體可用容量。其測試方法為：①對串聯(lián)電池組恒流充電，若有電池單體達(dá)到電壓上限則停止充電；②對串聯(lián)電池組恒流放電，若有電池單體達(dá)到電壓下限則停止放電，記錄放電階段放出的電量即為電池組可用容量。通過比較均衡操作前后Cap1、Cap2的大小，可以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)均衡系統(tǒng)的有效性。為了進(jìn)一步證明均衡策略的有效性，設(shè)立對照組與實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行比較分析?？紤]到電池組串聯(lián)使用時的“短板效應(yīng)”，電池組中電量最高及最低的兩節(jié)電池單體對電池組可用容量影響最大。因此對照組采用傳統(tǒng)的“平均差”法，即將SOC 最低（40%）、最高（60%）分別對應(yīng)的3、7 號電池單體均衡至電池組SOC 平均值（51%）。實(shí)驗(yàn)組即為聚類分析確定的均衡對象。記錄兩種方法對應(yīng)的均衡時間及均衡操作結(jié)束后電池組的可用容量，對其進(jìn)行比較與分析。
3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
針對不均衡電池組的聚類分析結(jié)果如圖7 所示，“○” 標(biāo)示的電池單體即為需要均衡的電池單體，“*”代表的即為聚類中心。由圖7 可見，需要均衡為1、3、6 號電池單體。根據(jù)均衡策略，需要均衡的電池單體SOC 均衡至串聯(lián)電池組SOC 平均值（51%）。
圖7 聚類分析結(jié)果Fig.7 Results of clustering analysis
考慮到均衡時間與均衡電流的相關(guān)性及均衡快速性的要求，本文中均衡電流峰值設(shè)定為2 A（電池額定容量2.2 A·h）。均衡過程中電流波形如圖8 所示，采用脈沖電流，電流峰值為2 A（電流表標(biāo)度200 mV/A），電流周期為9 s，其中工作8 s，停止1 s。均衡過程中電壓波形如圖9 所示，由于均衡電流大，因此均衡過程中電壓波動大，但是電壓波動在電池電壓上下限范圍內(nèi)，滿足電池安全性要求。均衡過程中以SOC 一致為目標(biāo)，均衡過程中SOC 采用安時積分法計(jì)算，電壓波動不影響SOC估計(jì)結(jié)果，因此對均衡效果無影響。
圖8 均衡電流Fig.8 Current during equalization
圖9 均衡過程中電壓波形Fig.9 Voltage waveforms during equalization
均衡操作結(jié)束后，由電池組可用容量的變化進(jìn)一步驗(yàn)證均衡策略的有效性。測試電池組可用容量步驟為：①對串聯(lián)電池組0.5C 恒流充電，若有電池單體達(dá)到電壓上限4.2 V，則停止充電；②對串聯(lián)電池組0.5C 恒流放電，若達(dá)到電壓下限2.75 V，則停止放電。記錄放電階段電量即為電池組可用容量。均衡操作前后SOC 分布及電池組可用容量測試過程如圖10 所示。
2 種方法的均衡時間及電池組可用容量的數(shù)據(jù)見表2。
由圖10 及表2 中的數(shù)據(jù)對比可知，均衡操作前電池組可用容量為1.750 A·h；經(jīng)過“平均差”法均衡操作后，電池組可用容量提升至1.795 A·h，提升了2.6%；經(jīng)過聚類分析法均衡操作后，電池組可用容量提升至1.939 A·h，提升了10.8%。經(jīng)過均衡操作后，電池組可用容量有所提升，證明了所提出的均衡系統(tǒng)的有效性。由均衡時間及均衡效果進(jìn)一步比較可知，兩種均衡方法均衡時間基本一致，但本文所提出的均衡策略對于電池一致性的改善更明顯，對于電池組可用容量的提升遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)方法，在保證均衡快速性的前提下均衡效果更好。因此，可以得出結(jié)論，所提出的均衡策略及均衡系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)部電池單體與外部電源之間的雙向能量傳遞，達(dá)到了各電池單體電量均衡、提升電池組性能的目標(biāo)。
圖10 均衡操作前后SOC 分布及電池組可用容量測試過程Fig.10 Distribution of SOCs and testing process of available capacity of battery pack before and after equalization
表2 不同均衡方法均衡時間及可用容量Tab.2 Equalization time and available capacity using different equalization methods
4 結(jié)語
本文針對串聯(lián)電池組均衡問題展開研究，提出了基于正激變換器的雙向DC/DC 變換器及開關(guān)陣列構(gòu)成的主動均衡主電路拓?fù)?，以外部電源為能量傳輸中介，?shí)現(xiàn)了電池單體的充、放電均衡操作。在分析均衡主電路拓?fù)涞幕A(chǔ)上，提出了一種基于聚類分析的電池組主動均衡策略。搭建電池均衡實(shí)驗(yàn)平臺，以8 節(jié)單體串聯(lián)構(gòu)成的電池組為研究對象，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)均衡時間和均衡效果全面對比了傳統(tǒng)的“平均差”法均衡策略與所提出的基于聚類分析的均衡策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的均衡策略可用容量提升10.8%，與傳統(tǒng)的“平均差”法可用容量提升2.6%相比，在保證均衡快速性的前提下，電池組可用容量的提升更多，改善了電池組的性能。
猜你喜歡
故事作文·低年級(2023年11期)2023-12-05 06:39:56
故事作文·低年級(2023年12期)2023-03-24 14:16:52
電腦報(bào)(2020年12期)2020-06-30 19:56:42
電腦報(bào)(2019年4期)2019-09-10 07:22:44
消費(fèi)導(dǎo)刊(2017年19期)2017-12-13 08:30:52
中國環(huán)境監(jiān)察(2016年7期)2016-10-23 05:36:30
中國現(xiàn)當(dāng)代社會文化訪談錄(2016年0期)2016-09-26 08:46:23
少兒美術(shù)·書法版(2016年1期)2016-02-06 00:59:39
大眾攝影(2015年9期)2015-09-06 17:05:41
電源技術(shù)(2015年11期)2015-08-22 08:50:42
