1、 电 子 测 量 技 术E L E C T R ON I CME A S UR EME N TT E CHNO L OG Y第4 6卷 第1期2 0 2 3年1月 D O I:1 0.1 9 6 5 1/j.c n k i.e m t.2 2 1 0 3 0 6基于模糊控制的锂离子电池组两级均衡方法*张 宇 邓 杰 吴铁洲 张宇航(湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室 武汉4 3 0 0 6 8)摘 要:针对锂电池组在充放电过程中出现能量不一致的问题,本文提出了两级均衡拓扑,分为组内和组外。电池组内采用基于电感的环式结构均衡电路,实现了在相邻单体电池及首尾电池之间的能量双向
2、环式转移新型主动均衡。电池组外采用基于单电感的集中式均衡拓扑,可以实现组间任意电池组之间的均衡。在均衡控制策略方面,以电池荷电状态为均衡变量,设计了模糊逻辑控制算法动态调整均衡电流,以减少均衡时间和提升均衡效率。使用MA T L A B/S i m u l i n k软件进行模型搭建并仿真,实验结果表明,本文提出的能量传递拓扑比传统B u c k-B o o s t电路在相邻单体间能量传递的拓扑要减少了2 4.4 6%的均衡时间。此外,与模糊逻辑控制算法相比,使用模糊逻辑控制算法在静置和充放电条件下,均衡后单体电池的标准差下降了约1 1%。验证了该均衡方案的可行性。关键词:两级均衡;B u c
3、 k-B o o s t电路;模糊逻辑控制;电池均衡中图分类号:TM 9 1 1 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:4 7 0.4 0 5 4T w o-l e v e l e q u a l i z a t i o nm e t h o df o r l i t h i u m-i o nb a t t e r yp a c kb a s e do nf u z z yc o n t r o lZ h a n gY u D e n gJ i e W uT i e z h o u Z h a n gY u h a n g(H u b e iK e yL a b o r a t o r yf
4、 o rH i g h-E f f i c i e n c yU t i l i z a t i o no fS o l a rE n e r g ya n dO p e r a t i o nC o n t r o l o fE n e r g yS t o r a g eS y s t e m,H u b e iU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,W u h a n4 3 0 0 6 8,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n ga t t h ep r o b l e mo f e n e r g y i n
5、 c o n s i s t e n c yd u r i n g t h e c h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s so f l i t h i u mb a t t e r yp a c k s,t h i sp a p e rp r o p o s e sat w o-l e v e le q u i l i b r i u m t o p o l o g y,w h i c hi sd i v i d e di n t oi n n e ra n do u t e rg r o u p s.T h ei n d u c
6、 t a n c e-b a s e dr i n gs t r u c t u r ee q u a l i z a t i o nc i r c u i ti su s e di nt h eb a t t e r yp a c k,w h i c hr e a l i z e san e wt y p eo fa c t i v ee q u a l i z a t i o no f b i d i r e c t i o n a l r i n g t r a n s f e r o f e n e r g yb e t w e e na d j a c e n t s i n g l
7、 e c e l l s a n d t h eh e a da n d t a i l c e l l s.Ac e n t r a l i z e db a l a n c e t o p o l o g yb a s e do nas i n g l ei n d u c t o r i su s e do u t s i d et h eb a t t e r yp a c k,w h i c hc a na c h i e v eb a l a n c eb e t w e e na n yb a t t e r yp a c k sb e t w e e nt h ep a c k
8、 s.I nt e r m so fb a l a n c i n gc o n t r o ls t r a t e g y,t a k i n gt h eb a t t e r ys t a t eo fc h a r g ea st h eb a l a n c i n gv a r i a b l e,a f u z z y l o g i cc o n t r o l a l g o r i t h mi sd e s i g n e dt od y n a m i c a l l ya d j u s t t h eb a l a n c i n gc u r r e n t t
9、 or e d u c e t h eb a l a n c i n gt i m ea n di m p r o v et h eb a l a n c i n ge f f i c i e n c y.U s i n g MA T L A B/S i m u l i n ks o f t w a r et ob u i l da n ds i m u l a t et h em o d e l,t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t t h ee n e r g yt r a n s f e r t o p o l
10、o g yp r o p o s e d i nt h i sp a p e r r e d u c e s t h ee q u a l i z a t i o nt i m eb y2 4.4 6%c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lB u c k-B o o s tc i r c u i te n e r g yt r a n s f e rt o p o l o g yb e t w e e na d j a c e n tc e l l s.I na d d i t i o n,c o m p a r e dw i t ht
11、 h ef u z z yl o g i cc o n t r o la l g o r i t h m u s i n gt h ef u z z yl o g i cc o n t r o la l g o r i t h m u n d e rs t a t i ca n dc h a r g e-d i s c h a r g ec o n d i t i o n s,t h es t a n d a r dd e v i a t i o no fs i n g l ec e l l sa f t e re q u a l i z a t i o nd e c r e a s e db
12、 ya b o u t1 1%.T h ef e a s i b i l i t yo f t h ee q u a l i z a t i o ns c h e m e i sv e r i f i e d.K e y w o r d s:t w o-l e v e l e q u a l i z a t i o n;b u c k-b o o s t c i r c u i t;f u z z y l o g i cc o n t r o l;c e l l e q u a l i z a t i o n 收稿日期:2 0 2 2-0 6-1 3*基金项目:国家自然科学基金(5 2 1 7
13、 7 2 1 2)、湖北省教育厅科学研究计划(T 2 0 2 1 0 0 5)项目资助0 引 言 锂离子电池具有功率和能量密度高、自放电率低、寿命长、环境污染小等优点,被广泛应用于电动汽车中1。由于单个电池的电压不足以满足需求,通常将多个电池串联成电池组2。但是,由于各电池的内阻变化、容量不相等、老化、环境温度的变化等因素,导致了电池组的不一致性,对电池组的性能和使用寿命造成一定的影响,为了延长电池组的使用寿命,对电池组进行均衡是非常必要的3。电池均衡分为主动均衡和被动均衡4。被动均衡主要9 第4 6卷电 子 测 量 技 术通过并联电阻,将能量高的电池的多余能量以热能的形式耗散掉5。这种均衡方
14、式具有控制简单、成本低和可靠性强等优点,但是存在损耗大、均衡效率较低和均衡时间较长等问题6。考虑均衡中的能量利用率、均衡速度等问题,以电感、电容、变换器等储能元件作为能量传递媒介的主动均衡引起人们广泛关注7。文献8 提出一种基于单电感的均衡拓扑,但是电路中使用的开关数量较多,能量损耗大。文献9 提出了一种改进的B u c k-B o o s t电路拓扑结构,但是只能实现相邻两电池之间的能量传递,均衡效率不高,均衡速度慢。综合考虑文献1 0 中均衡拓扑的优缺点,对电路拓扑进行了改进,本文提出的基于B u c k-B o o s t电路的两级均衡拓扑结构,将电池进行分组,组内可以实现任意单体电池间
15、的能量转移,并且可以同时进行均衡,组外采用了双层开关作为开关阵列,因此,在均衡速度和能量损耗上,均表现出了更好的优势。选择好均衡电路之后,需要确定一种有效的优化均衡算法。最大值均衡法可以较容易地实现电池均衡,但是其均衡效率不高1 1。平均值及差值比较法以电池组中所有单体电池容量的平均值作为标准,控制简单,但是仅适用于电池组数目较少的情况,若单体电池之间的均衡涉及到多个单体之间能量传递,则会导致均衡效率不高。利用模糊逻辑控 制 实 现 均 衡,其 均 衡 效 率 的 优 化 性 能 更 强1 2。文献1 3 利用电池间电压差和电池电压调整均衡周期,均衡拓扑复杂,未考虑能量利用率。文献1 4 根据
16、电池荷电状态(s t a t eo f c h a r g e,S O C)在全周期范围的变化特性采取分阶均衡,但是没有考虑到电池老化、温度等因素对电池O C V-S O C曲线的影响。在本文中,使用不需要精确数学模型的模糊逻辑控制算法1 5(f u z z y l o g i c c o n t r o l,F L C),利用其强非线性、鲁棒性、和容错性来改善电池不一致性和优化均衡效率。1 主动均衡拓扑分析1.1 均衡电路的拓扑结构 设计了一种改进型的B u c k-B o o s t分层均衡电路,如图1所示。组内基于电感的环式结构均衡电路,利用能量可以在电感式均衡器中双向移动的特性,实现了能量既能在相邻电池之间双向转移,又能在首尾电池之间双向转移,即能量的环式移动。组内均衡电路由2r个电池单体串联、4r+2个MO S F E T管、4r+2个二极管和2r个储能电感组成。组间采用基于单电感的集中式均衡拓扑,可以实现组间任意电池组之间的均衡。其拓扑结构图如图2所示,将n个单体电池进行分组,共有m个小组,每组包含2r个单体电池。每个电池小组包含1个组内均衡子电路(即共有m个组内均衡子电路
