基于最優能量轉移的混合拓撲結構研究

嚴 剛, 張 利, 景俊峰, 劉征宇

(1.合肥工業大學 管理學院，安徽 合肥 230009； 2.江淮汽車股份有限公司,安徽 合肥 230091; 3.合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009; 4.安全關鍵測控技術教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

基于最優能量轉移的混合拓撲結構研究

嚴 剛1,2, 張 利3,4, 景俊峰3, 劉征宇3,4

(1.合肥工業大學 管理學院，安徽 合肥 230009； 2.江淮汽車股份有限公司,安徽 合肥 230091; 3.合肥工業大學 機械工程學院,安徽 合肥 230009; 4.安全關鍵測控技術教育部工程研究中心,安徽 合肥 230009)

動力電池均衡是電動汽車應用中的重要技術,目前大多數的均衡拓撲結構與均衡控制策略都將電池組均衡度作為唯一的控制目標,而忽略了能量利用率。文章分析了分布式與集中式均衡拓撲的優缺點,設計出了一種能較好地提高均衡速度的混合型主動均衡拓撲結構,并提出了一種基于轉移最少能量達到均衡目的的控制策略。仿真實驗結果表明，混合拓撲有效且有實際應用價值,控制策略能有效提高能量利用率,減少均衡損耗。

均衡拓撲;均衡速度;均衡策略;能量損耗

0 引 言

車用鋰電池在制造和使用過程中,參數差異及充放電條件的影響會造成單體電池的不一致,進而影響整個電池組的正常使用,降低電池組的使用壽命[1]。因此需要在電池組使用過程中對其進行均衡控制。

均衡控制主要通過均衡拓撲與控制策略來實現。目前均衡拓撲主要分為無源均衡拓撲與有源均衡拓撲。無源均衡拓撲大多通過飛跨電容加高速開關來實現能量轉移,但能量轉換速度慢、瞬間沖擊電流很大,容易出現電磁干擾[2-3];有源均衡拓撲是模擬開關電源的原理設計出來的,也是目前研究最多的均衡拓撲,其結構屬于儲能式均衡電路,理論上不存在能量損失,也不需要復雜的控制電路和額外的開關網絡[4-5]。

有源均衡拓撲以集中式均衡與分布式均衡為主[6],這兩類均衡拓撲各有優缺點。本文將分別對其中的典型電路進行分析,針對它們的優缺點設計出一種新型均衡拓撲結構。實驗證明，本文設計出的均衡拓撲能有效地降低電池組的不一致性,提高電池組的均衡效率。

當前實際應用的控制策略大多采用基于電壓的均衡方法，但該方法有很大的局限性,即端電壓不能完全準確地表示電池能量狀態。

本文提出一種最優能量轉移的控制策略,并改進了基于電壓的均衡方法,提高了均衡的可靠性與有效性。

1 典型均衡拓撲優缺點分析

1.1 集中式均衡拓撲

集中式均衡拓撲是將拓撲通過一個多輸出的變壓器,將電壓高的電池中的能量傳遞到電壓最低的電池中。其典型電路為文獻[7]提出的集中式均衡結構,如圖1所示。

該拓撲結構的變壓器原邊接電池組,副邊與單體電池相連并采用雙向開關。通過變壓器實現單體電池與電池組間的能量交換,由于雙向開關的作用,在電池組充電與放電過程中均能起到均衡作用。該拓撲結構均衡速度快、均衡效率高、控制簡單,但也存在著不易擴展、副邊繞組多、變壓器設計困難等缺點。因此該類拓撲結構適用于串聯單體電池較少的場合。

圖1 集中式均衡拓撲結構

1.2 分布式均衡拓撲

文獻[8]提出的基于升降壓變換器的分布式均衡拓撲典型電路如圖2所示。該拓撲可實現充電和放電情況下的均衡,同時適用于大功率的設計,高頻條件下工作可大大減小設備的體積,方便在狹小的空間內進行布局,模塊化強。但是當串聯電池組內不均衡的電池出現位置不相鄰時,則能量傳輸路徑長,均衡速度慢,效率低下。

圖2 分布式均衡拓撲結構

2 混合均衡拓撲結構分析

結合集中式和分布式均衡拓撲結構的優缺點,本文通過改進提出了混合均衡拓撲結構,如圖3所示。該結構以3節電池為1組,組內采用基于Buck-Boost電路的改進型均衡拓撲結構,可以實現3節單體電池中任意兩節電池之間的均衡。每3節電池為1組,組與組之間采用集中式均衡拓撲結構,可以實時地進行任意兩組之間的均衡。并且組間均衡與組內均衡可以同時進行,因此能夠直接均衡的單體數量達到最大。

圖3 新型均衡拓撲結構

整個均衡過程包括充電均衡與放電均衡,充電均衡為電壓低的電池補充能量,放電均衡對電壓高的電池進行能量抽取。本質上都是能量轉移,下面主要說明混合拓撲的能量轉移過程。

2.1 組間均衡

組間采用集中式均衡拓撲結構,其中電容與電感構成LC振蕩回路,既可以保證磁芯的可靠復位,也可以實現軟開關來降低開關功耗。該電路可以實現任意兩組間的能量傳遞,因此均衡效率較高。具體過程為:設組1電壓為V11,組2電壓為V22;若V11

(1)

電流i為：

代入(1)式可得:

由于開關采用脈沖控制,在電壓差距較大時,能量不可能一次轉移完成,需要轉移n次。理論上分析,由于采用了同軸多繞組變壓器均衡拓撲結構,使得各組間的電壓得到完全均衡。但由于制造工藝的差異,難以保持真正的一致,因此轉移能量會略小于E。

2.2 組內均衡

組內均衡采用分布式均衡拓撲結構,每節單體電池都有屬于自己的均衡模塊,以3節電池為1組,可以實現任意兩節電池間的均衡?？梢酝瑫r均衡的單體電池數達到最大。兩節電池間采用雙電感模式,如圖3所示,其中L12?L11。

若V1最大,則打開S12,電感L11儲能;關斷S12,L11通過二極管對電池2與電池3進行續流充電,電池2獲得大部分能量。此時有：

(2)

(3)

(4)

其中，D為電路中開關的占空比；T為電路中開關的周期；V1、V2、V3分別為電池1、電池2、電池3的電壓；ΔV為電感兩端的電壓。

若V2最大,則有如下3種情況。

(1)V1、V3均較小,打開S14,電感L11、L13儲能;關斷S14,電感L11向電池2充電,電感L13向電池3充電。此時有：

(5)

(6)

由(5)式、(6)式可以看出,與單節電池的均衡相比,同時均衡兩節電池，均衡電流會相對減少。

(2)V1最小,V3與V2差距很小,則打開S14與S15,由于L14與L13相比很小,L13被短路,此時大部分能量都儲存在L11中,關斷S14與S15,電感L11向電池1充電,這樣就避免了L11與L13同時儲能時不必要的能量損耗。

(7)

由于L14?L11,L11可忽略不計,則有：

(8)

(3)V3最小,V1與V2差距很小,與第2種情況類似,此時電池2主要向電池3充電。但此時電流由于后續電池的影響會略有減少,均衡電流為:

(9)

若V3最大,則打開S14,電感L13儲能,關斷S16,L13通過二極管對電池2與電池1進行續流充電,電池2獲得大部分能量。此時情況與第2種情況類似。但此時沒有后續電流影響,均衡電流為:

(10)

(11)

以上為混合均衡拓撲結構的幾種均衡方式,該新型拓撲結合了分布式均衡與集中式均衡的優缺點,從硬件結構上使得能量傳輸路徑縮短,均衡效率得以大大提高,可以同時均衡的單體電池數達到總電池數的1/3以上,并且模塊化強,易于擴展;主要缺點是雖然采用同軸多繞組變壓器,但當電池數量很大時,同軸變壓器設計將變得困難且不易維修。此外組與組間均衡電流存在細微的相互干擾。

3 均衡策略

在均衡拓撲結構一定的條件下,制定出一套合適的均衡控制策略是非常必要的。目前均衡控制策略種類繁多[9-10],總體分為2類:① 基于電壓的均衡方法;② 基于容量的均衡方法。

其中基于容量的均衡方法是基于準確預估單體電池的荷電狀態(state of charge,SOC),若SOC的準確性得不到保證,均衡的可靠性會大大降低。因此當前實際應用的控制策略多數采用基于電壓的均衡方法。該均衡方法以實時測得的電池端電壓為依據進行均衡。但經過實際測試發現鋰離子電池具有電壓自恢復性,即電池在終止充電或放電后,電壓會有一個恢復過程?；謴统潭扰c電池本身性能有關。電池性能較好則恢復程度較小,電池性能較差則恢復程度較大[11-13]。因此,本文的控制策略首先設置一定的過均衡度,保證均衡的可靠性,如圖4所示。過均衡度通過多次充放電實驗測得電池使用的不同時期的恢復程度,以此作為過均衡度的數據支撐。

圖4 過均衡度的設置

判斷一個控制策略的好壞主要取決于能量轉移的多少與能量轉移速度。由于均衡拓撲結構做出了改進設計,從硬件上保證了較高的均衡速度。因此本文提出一種最優能量轉移的控制策略。下面將具體說明。

由于均衡拓撲結構采用變壓器作為能量轉移的媒介,理論上分析不存在均衡能量損耗。但在實際使用過程中,由于變壓器直流阻抗與電路阻抗的存在,能量轉移過程中會產生能量損耗。轉移能量越多,則損耗越大。本文能量轉換的最優方案指在滿足均衡目的的前提下,找尋出轉移能量最少的路徑以降低均衡損耗?；诖?選取深度優先搜索算法用來搜索最優轉移路徑[14-16]。深度優先搜索算法屬于盲目搜索的一種,會窮舉出所有路徑,以找到最佳路徑。這種搜索算法不會舍棄節點,因此杜絕了舍棄掉最優路徑的可能性，但該算法具有盲目性,效率低下。由于均衡拓撲結構采用分組結構,組內均衡時路徑數會大大減少,使得該算法能夠符合最優能量轉移的要求,在較短的時間內窮舉出所有路徑。

該算法滿足一個估計函數[17],即

f(n)=g(n)+h(n)，

其中,f(n)為每個可能搜索路徑的估值,由2個部分組成;g(n)為從起始搜索點到當前搜索點的代價;h(n)為深度優先搜索中最重要的一環,即當前節點到目標節點的估值。將之應用于最優能量轉移需要加一些約束條件,以便找到能量損耗最少的路徑。均衡策略搜索示意圖如圖5所示。約束條件為:

(1) 圖5中每個節點的后繼節點是有限的,即在未達到均衡目標時,總有可供選擇的轉移路徑。

(2) 圖5中從一個節點到另一個節點的搜索代價都大于某個正數,即每條能量轉移路徑都存在能量損耗。

(3) 對于圖5中所有節點n都有h(n)≤h*(n)(h*(n)為實際選擇路徑的代價值)，即所選均衡路徑不大于其他任意一條均衡路徑。

圖5 均衡策略

綜上所述,控制策略具體過程為:

(1) 依據歷史數據確定此時的過均衡度。

(2) 考慮電感的直流阻抗及電路阻抗,建立均衡電路阻抗模型。

(3) 檢測電池端電壓,找出需均衡的單體電池。

(4) 以阻抗模型為基礎,采用深度優先搜索算法估算出每條路徑所需消耗的能量,找出最優能量轉移路徑,完成均衡。

4 實驗分析

本文采用Matlab/SimPowerSystem 工具箱進行仿真實驗。

首先證明本文改進的均衡拓撲結構的正確性。取2組電池實驗,電池數每組為9顆,所取電池為磷酸鐵鋰電池,電壓范圍為2.5～4.0 V。將2組電池從同一起點進行綜合放電實驗,一組加入所設計的混合均衡拓撲電路,另一組自由放電。

實驗結果如圖6所示。

圖6 混合拓撲結構的正確性實驗

從圖6可以看出,在同等放電條件下,放電完畢后,沒有均衡的電池組剩余較高電量,放電不完全,采用混合均衡拓撲的電池組能夠更大限度地放出能量,提升電池組性能。

由于結構進行了改進,混合拓撲結構在均衡效率方面有較大的提升。以集中式均衡為例，將集中式均衡拓撲與混合拓撲進行仿真對比。選取9節磷酸鐵鋰電池,分為3組,其中3組中有1節電池電壓較低,1節電池電壓較高，以此為基礎進行均衡實驗。同等條件均衡對比實驗結果如圖7所示。

圖7 同等條件均衡對比實驗

圖7表示2節電池分別在同等初始條件下均衡電路不同時,從初始條件到達均衡狀態的過程。從圖7可以看出,電池電壓較高時,從均衡起始至結束混合拓撲均具有較高的均衡速度,因此將率先到達均衡狀態,節省均衡時間；電池電壓較低時,由于集中式拓撲有整組電池向單體電池充電,電流較大,均衡起始時均衡速度較快，但到后期還是會落后于混合拓撲。

綜上可知,在均衡速度方面,混合與拓撲具有很大的優勢[18]。

最后對均衡控制策略進行對比分析,采用同上的9節單體電池為例。

設定好電池組的不均衡狀態，將傳統的電壓高低排序依次均衡的方法與本文基于能量轉移的最優控制策略進行對比實驗。其中均衡能量損耗滿足:

(12)

其中,RI為組內線路等效電阻;RC為電感阻抗。

根據實驗結果進行分析計算,得出2種均衡策略的能量損耗，如圖8所示。

從圖8可以看出,基于能量轉移的最優控制策略在均衡能量損耗方面明顯優于傳統的均衡策略。

圖8 均衡能量損耗對比分析

5 結 論

本文結合分布式均衡拓撲與集中式均衡拓撲的優缺點,設計了一種混合均衡拓撲。該結構中組內與組間均衡可以同時進行,并且各組之間也可同時均衡,以3節電池為1組,同一時間可同時均衡的單體電池數可達電池組的1/3以上,且易于模塊化,適用性增強。本文還采用設置過均衡度的方法,結合深度最優搜索算法,設計出了符合新型拓撲的最優能量轉移均衡策略。經過試驗分析,該策略可以有效降低電池組的不一致性,提升電池組的整體性能,增加電池組的使用壽命,提高能量利用率。今后將對新型均衡拓撲的不足之處繼續進行改進,對控制策略的可靠性與穩定性進行優化。

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(責任編輯 胡亞敏)

A hybrid topology based on optimal energy transfer path

YAN Gang1，2， ZHANG Li3,4, JING Junfeng3, LIU Zhengyu3,4

(1.School of Management, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 2.Jianghuai Automobile Co., Ltd., Hefei 230091, China; 3.School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China; 4.Engineering Research Center of Safety Critical Industrial Measurement and Control Technology of Ministry of Education, Hefei 230009, China)

Power battery equalization is an important technology in the application of electric vehicles. At present, the balance degree of battery pack is the only control criterion in the majority of equalizer circuit and control strategies. The energy utilization rate is ignored. In this paper, a balanced circuit combining the distributed-load balancing and the central-load balancing is designed to improve the balancing speed to a large extent. An equilibrium control strategy based on transferring least energy is also put forward. The results of simulation experiment show that the equalization circuit is correct. The control strategy can improve the energy utilization and reduce the loss. This method can be used in practical applications.

balancing topology; balancing speed; balancing strategy; energy dissipation

2015-09-29；

2015-12-21

國家國際科技合作專項資助項目(2012DFB10060)

嚴 剛(1963-)，男，安徽含山人，合肥工業大學博士生，江淮汽車股份有限公司教授級高工； 張 利(1955-),女,安徽蚌埠人,合肥工業大學教授,碩士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2017.04.001

TN86

A

1003-5060(2017)04-0433-06