鋰離子電池主動均衡控制系統(tǒng)的能量回收率能到多少？
2019-9-9 8:53:46??????點擊：
為了解決動力電池組能量不均衡的問題，本文設(shè)計了鋰離子電池主動均衡控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由主控芯片TMS320F28335、檢測電路、DC/DC電路、均衡電路、驅(qū)動電路等組成。
系統(tǒng)利用無跡卡爾曼濾波算法實時估算鋰離子電池組的荷電狀態(tài)，設(shè)計基于電池特性的儲能電感式均衡電路，以模糊-PI控制算法調(diào)制PWM信號以實現(xiàn)電池組能量的主動均衡。搭建均衡控制系統(tǒng)的硬件實驗平臺，實驗結(jié)果達到了預(yù)期目標。
為了保障足夠的輸出電壓和輸出功率，動力電池組通常由很多節(jié)單體電池串、并聯(lián)組成。由于現(xiàn)今制造工藝的限制，各單體電池的相關(guān)參數(shù)存在很大差異，且隨著電池組使用次數(shù)的增加，這種差異更加突出，直接導(dǎo)致各單體電池間容量的不一致，使得工作中容量較大的單體電池欠充欠放，容量較小的單體電池過充過放，造成能量浪費，加速電池組老化，縮短電池組壽命，甚至引發(fā)爆炸等安全事故。
利用均衡控制技術(shù)使電池組內(nèi)各單節(jié)電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）趨于一致，可以提高動力電池組的能量利用率，減小電池組使用耗損，保障整個用電設(shè)備的運行安全。
目前，對電池組均衡控制的研究很多，也各有優(yōu)劣。
有學者采用能量耗散的方式實現(xiàn)均衡。這種方式優(yōu)點是控制簡單，而缺點是能量消耗和熱管理的問題。
有學者以開關(guān)元件和儲能電容實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。這種方式優(yōu)點是構(gòu)造簡單、控制策略容易，缺點在于均衡判據(jù)不準確，均衡精度低和均衡效率低。
有學者以電感為儲能元件實現(xiàn)電池組內(nèi)能量的轉(zhuǎn)移。該電路優(yōu)點是擴展性高，缺點是均衡控制策略復(fù)雜，能量流動范圍小，均衡控制效率低。
有學者通過變壓器的互感原理實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。這種方式的優(yōu)點是充電和均衡同時進行，控制簡單，缺點是變壓器均衡能量損耗較大，能量利用率較低，占用空間較大。
有學者通過電池管理芯片進行能量的均衡，這種方式的優(yōu)點是系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，集成度較高，缺點是管理策略單一，能量利用率有限。
綜上，本文設(shè)計了一個基于SOC的鋰離子電池主動均衡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主控電路、檢測電路、DC/DC電路、均衡電路、驅(qū)動電路等組成，用無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter, UKF）算法實時估算的鋰離子電池組的SOC作為均衡判據(jù)，用模糊- PI算法調(diào)制PWM信號以調(diào)制均衡電流，實現(xiàn)電池組能量的主動均衡。并搭建了由四節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)的主動均衡控制系統(tǒng)的實驗樣機進行效果驗證。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
總結(jié)
針對鋰離子電池組能量不均衡問題，本文設(shè)計了一種主動均衡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電壓、電流的檢測，UKF算法估算各節(jié)鋰離子電池的SOC及電池組的均衡控制。該系統(tǒng)以SOC為均衡判據(jù)，當任一節(jié)電池間SOC與電池組平均SOC差值大于2%時開起均衡控制。
通過搭建由4節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)的電池組主動均衡控制系統(tǒng)的硬件平臺測試了系統(tǒng)的均衡效果，能量回收率達到69.2%。由于電感儲能回路上不能斷流，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性尚需進一步優(yōu)化。
系統(tǒng)利用無跡卡爾曼濾波算法實時估算鋰離子電池組的荷電狀態(tài)，設(shè)計基于電池特性的儲能電感式均衡電路，以模糊-PI控制算法調(diào)制PWM信號以實現(xiàn)電池組能量的主動均衡。搭建均衡控制系統(tǒng)的硬件實驗平臺，實驗結(jié)果達到了預(yù)期目標。
為了保障足夠的輸出電壓和輸出功率，動力電池組通常由很多節(jié)單體電池串、并聯(lián)組成。由于現(xiàn)今制造工藝的限制，各單體電池的相關(guān)參數(shù)存在很大差異，且隨著電池組使用次數(shù)的增加，這種差異更加突出，直接導(dǎo)致各單體電池間容量的不一致，使得工作中容量較大的單體電池欠充欠放，容量較小的單體電池過充過放，造成能量浪費，加速電池組老化，縮短電池組壽命，甚至引發(fā)爆炸等安全事故。
利用均衡控制技術(shù)使電池組內(nèi)各單節(jié)電池荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）趨于一致，可以提高動力電池組的能量利用率，減小電池組使用耗損，保障整個用電設(shè)備的運行安全。
目前，對電池組均衡控制的研究很多，也各有優(yōu)劣。
有學者采用能量耗散的方式實現(xiàn)均衡。這種方式優(yōu)點是控制簡單，而缺點是能量消耗和熱管理的問題。
有學者以開關(guān)元件和儲能電容實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移。這種方式優(yōu)點是構(gòu)造簡單、控制策略容易，缺點在于均衡判據(jù)不準確，均衡精度低和均衡效率低。
有學者以電感為儲能元件實現(xiàn)電池組內(nèi)能量的轉(zhuǎn)移。該電路優(yōu)點是擴展性高，缺點是均衡控制策略復(fù)雜，能量流動范圍小，均衡控制效率低。
有學者通過變壓器的互感原理實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。這種方式的優(yōu)點是充電和均衡同時進行，控制簡單，缺點是變壓器均衡能量損耗較大，能量利用率較低，占用空間較大。
有學者通過電池管理芯片進行能量的均衡，這種方式的優(yōu)點是系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，集成度較高，缺點是管理策略單一，能量利用率有限。
綜上，本文設(shè)計了一個基于SOC的鋰離子電池主動均衡控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由主控電路、檢測電路、DC/DC電路、均衡電路、驅(qū)動電路等組成，用無跡卡爾曼濾波（unscented Kalman filter, UKF）算法實時估算的鋰離子電池組的SOC作為均衡判據(jù)，用模糊- PI算法調(diào)制PWM信號以調(diào)制均衡電流，實現(xiàn)電池組能量的主動均衡。并搭建了由四節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)的主動均衡控制系統(tǒng)的實驗樣機進行效果驗證。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖
總結(jié)
針對鋰離子電池組能量不均衡問題，本文設(shè)計了一種主動均衡控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了電壓、電流的檢測，UKF算法估算各節(jié)鋰離子電池的SOC及電池組的均衡控制。該系統(tǒng)以SOC為均衡判據(jù)，當任一節(jié)電池間SOC與電池組平均SOC差值大于2%時開起均衡控制。
通過搭建由4節(jié)磷酸鐵鋰電池串聯(lián)的電池組主動均衡控制系統(tǒng)的硬件平臺測試了系統(tǒng)的均衡效果，能量回收率達到69.2%。由于電感儲能回路上不能斷流，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性尚需進一步優(yōu)化。
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