鋰離子電池均衡電路的設(shè)計與仿真

鋰離子電池均衡電路的設(shè)計與仿真

為了廣泛應(yīng)用鋰電池，延長鋰電池組件的使用壽命，降低新能源汽車的成本，提高電池的有效平衡是電池技術(shù)的中心概念之一。設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單損耗較小性價比高的基于多電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的均衡電路系統(tǒng)并實驗仿真其性能，實驗證明該電路很好地實現(xiàn)了電池組內(nèi)各單體電池的端電壓均衡。引言：動力電池技術(shù)作為制約新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)瓶頸，除了動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，極大地對動力電池組的性能和電池壽命產(chǎn)生了不利影響，不利于為車輛提供穩(wěn)定、安全和可靠的動力。為廣泛應(yīng)用鋰離子動力電池，延長鋰離子電池組的使用壽命，增加電動汽車的續(xù)駛里程，降低新能源汽車成本，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的工程實用價值。論文的目的主要是設(shè)計一類結(jié)構(gòu)簡單有效的電路系統(tǒng)用于電池組的均衡。1.動態(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)，但總體來說可以劃分為兩大類：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)一個電阻和一個開關(guān)S，控制系統(tǒng)根據(jù)對電池組的實時檢測結(jié)果控制開關(guān)S的通斷，用電阻來耗散某節(jié)電池的能量。該類均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案結(jié)構(gòu)簡單，控制策略復(fù)雜度低，放電速度快，可多個電池單體同時放電。缺點是：均衡過程中，分流電阻消耗了動力電池組的能量，均衡效率較低，難以適應(yīng)快速均衡的要求。被動式均衡已經(jīng)不能代表動力電池均衡技術(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)多是利用儲能元件及所搭建的均衡外電路實現(xiàn)電池間能量的相互傳遞或轉(zhuǎn)移。無損耗均衡電路首先由NasserHKut提出，他提出的方案為使用開關(guān)電容轉(zhuǎn)移高能量單體的能量給低能量單體，具體為：基于開關(guān)電池理論，利用電容的無能量消耗器件，通過一定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，先將高能單體高出的能量轉(zhuǎn)移到電容中，后利用開關(guān)理論將電感電容中儲存的能量轉(zhuǎn)移到低能量單體中。按照轉(zhuǎn)移介質(zhì)的不同，能量轉(zhuǎn)移法可分為開關(guān)電容法和DC-DC轉(zhuǎn)換器法?！耖_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)對能量進行轉(zhuǎn)移。開關(guān)電容法是在每兩個相鄰的單體電池之間通過開關(guān)器件與一個電容并聯(lián)，在充放電過程中，通過切換開關(guān)，控制電容器存儲釋放能量，以實現(xiàn)能量在電池間的轉(zhuǎn)移。通過控制開關(guān)器件驅(qū)動信號PWM的占空比實現(xiàn)相鄰兩個電池之間能量的傳遞。該方法控制簡單，可實現(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?？偟膩碚f，開關(guān)電容均衡方法的結(jié)構(gòu)也比較簡單，容易控制，能量損耗比較小，但均衡的速度慢，對大電流快速充電的場合不適用且對異常情況的適應(yīng)性較差。圖1是電容型轉(zhuǎn)移的原理說明。其中電路b是電路a的改進型，當(dāng)cell1的電壓大于cell2的電壓時，開關(guān)S1和S2將會同時打到左邊?！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)換器法沒有能量損耗，均衡速度快，是目前國內(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。但該類均衡電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制策略難度較大。2.低電壓單元均衡電荷轉(zhuǎn)移基于多電容的均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要原理就是通過開關(guān)的切換來實現(xiàn)相鄰電池之間電荷的轉(zhuǎn)移，通過這種簡單操作，就可以實現(xiàn)相鄰電池之間的電荷轉(zhuǎn)移，使得電荷從高電壓單元傳遞到低電壓單元，從而實現(xiàn)電池的均衡。通過仿真可以清楚地看到電池的電壓參數(shù)波動最終回平，這種通過simulink仿真的方法簡單明了，可以直觀地觀察到最均衡過程。2.1sim對控制系統(tǒng)的設(shè)計仿真系統(tǒng)采用simulink設(shè)計完成，根據(jù)均衡電路實現(xiàn)仿真設(shè)計，圖2是總體設(shè)計圖。首先打開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，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。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在這里表示信號發(fā)生器，仿真系統(tǒng)的控制信號就是由它產(chǎn)生的，但是后面需要接上一個ControlledVoltageSource模塊才能輸出電壓信號，接到電路中。如下圖3是pulsegenerator的模塊圖。每一個子系統(tǒng)subsystem中放置一個goto模塊，goto與一個經(jīng)過運算后的輸入信號連接。對goto中的tag命名，可以在tagvisibility選擇不同的類型如local/scope/global。數(shù)據(jù)的模塊Multimeter是Simpowersystems子庫中常用的一個測量數(shù)據(jù)的模塊，與萬用表的功能基本一致，主要用于測量電路原件或支路的電壓和電流，并且能夠顯示被測參數(shù)的波形，實現(xiàn)對電網(wǎng)絡(luò)的仿真分析。在分析電路時靈活使用該模塊可以簡化電路的復(fù)雜度，Multimeter模塊的符號如下圖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。Scope模塊可以用于顯示接入的信號波形，如下圖5是scope模塊的符號圖和仿真效果圖：管口開口開關(guān)tg多電容拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作原理中已提及開關(guān)的作用，主要是通過控制開關(guān)的通斷狀態(tài)來實現(xiàn)電池組之間電荷的轉(zhuǎn)移，圖6是理想開關(guān)模塊的符號。理想開關(guān)模塊不對應(yīng)于特定的物理設(shè)備。當(dāng)與適當(dāng)?shù)拈_關(guān)邏輯一起使用時，它可以用于表征簡化的半導(dǎo)體器件GTO或MOSFET，或者是具有電流斬波的電源斷路器。該開關(guān)被模擬為電阻和由邏輯門信號控制的開關(guān)并聯(lián)而成。理想的開關(guān)塊完全由柵極信號控制（G>0或G=0）。它具有以下特性，當(dāng)G=0時，阻斷了外部施加的電壓，從而也就沒有了電流，開關(guān)斷開。在G>0時有電流流經(jīng)，開關(guān)接通。被觸發(fā)時，開關(guān)的通斷狀態(tài)瞬間切換。理想開關(guān)開啟時在柵極輸入端存在正信號（g>0），當(dāng)門信號等于0(g=0）時，開關(guān)關(guān)閉?？紤]到實際使用中為減小大電流對開關(guān)的損害，仿真系統(tǒng)中的開關(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關(guān)并聯(lián)（在節(jié)點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，點擊Scope3可以觀察到三節(jié)電池的均衡過程。將均衡過程電壓信號波形的時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，實現(xiàn)了電池單體的電量均衡。利用電容的充放電特性通過開關(guān)控制來實現(xiàn)均衡，是一種不需要依賴于電壓檢測精度的均衡方案。但是關(guān)斷時電流回路中會產(chǎn)生很大的電流，可能會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)