基于Stateflow的动力电池均衡仿真研究

赵 钢， 郭 沛

(天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津300384)

基于Stateflow的动力电池均衡仿真研究

赵 钢， 郭 沛

(天津理工大学天津市复杂控制理论与应用重点实验室，天津300384)

动力电池的均衡控制作为电池管理系统(BMS)的一项关键技术，决定了电池组的使用效率和寿命。采用一种基于电感的双向非能耗型均衡控制电路，结合Stateflow技术，在MATLAB中完成了对该电路的仿真。结果表明，该控制电路能快速实现电池间电量的均衡。

动力电池；均衡控制；Stateflow；MATLAB

作为电动汽车的动力源，单体锂离子电池额定电压一般为3.2 V，为满足电压和容量的需求，在使用过程中往往由上百节单体电池串并联而成组。由于锂离子电池在生产以及使用过程中产生的不一致性，在串并联成组后，其不一致性最终导致电量的参差不一。如果这种差异得不到及时的平衡和抑制，不一致性就会随着电池的充放电循环而不断加剧，甚至导致电池的过充或过放，最终会影响整个电池组乃至用电系统的效率和寿命[1]。

均衡技术就是利用电子技术，通过搭建均衡控制电路，配合均衡策略来实现电量的迁移或耗散，以达到电池间电量的统一。常见的均衡方式可分为能量耗散型和能量非耗散型两种[2]。能耗型均衡采用耗能方式，通过在单体电池两端并联一个功率电阻和一个开关进行分流，将电池组中电量较高的单体电池多余的能量释放，从而实现电池组均衡[3]。该方法结构简单，稳定性好，但由于要损失能量，所以一般使用在小功率场合[4]。非能耗型均衡是指利用中间储能元件和一系列的开关元件，将电池组中荷电状态较高的电池的能量转移到荷电状态较低的电池中去，以达到均衡目的[5]。这种方式不但均衡效率高，而且节约能源，不产生热负担，是目前研究的热点。

本文采用基于电感的非能耗型均衡控制拓扑电路，结合Stateflow技术，完成了在MATLAB中对该系统的充、放电均衡仿真，对均衡效果进行了仿真验证，同时将该均衡系统与实际应用中最为常见的电阻均衡系统做一个对比仿真测试，结果表明，该方法能够实现电池间能量的均衡，而且效率高、速度快，比传统方式有很大提高。

1 均衡原理分析

1.1 均衡电路

电感型均衡的基本原理是以电感作为储能元件，将电池组中电量较高的单体电池中的电量转移到电量较低的电池上，通过控制开关管通断来切换电流通断，使电感不断充放电，进而实现能量的双向流动，其中开关管的导通次序由均衡策略决定。拓扑结构如图1所示。

图1 电感型均衡控制电路

1.2 均衡策略

现有的动力电池均衡技术大多数基于外电压均衡，但基于电池外电压均衡并没有抓住电池组一致性问题产生的内部本质因素，也没有有效地提高电池组的可用容量[6]。蓄电池工作时端电压的均衡并不意味着各电池的容量是相同的，各单体电池的荷电状态(SOC)均衡才是需要控制的目标[7]。因此本文采用SOC作为电池组一致性均衡判据。

由图1可知，该均衡电路主要由电感、开关管、二极管组成。均衡过程以B1、B2两节电池为例，当大于0.2%时，均衡开启，脉冲驱动信号作用于开关管T3的门极上，T3将持续导通和关断。导通时，电池B2对电感L1进行充电；关断时，L1中的电流方向保持不变，将通过二极管D1对B1充电。该过程一直持续到二者SOC差值小于0.2%，如此实现了能量在电池间的转移，过程如图2、图3所示。

图2 T3导通时

图3 T3关断时

2 系统仿真

2.1 仿真模型

根据上述对均衡控制电路结构与策略的分析，本文在MATLAB/Simulik中搭建了该电路的仿真模型，如图4所示。

图4 系统仿真模型

图4为放电均衡模型，充电均衡时只需把恒流源改为5 A，以及更改电池初始SOC值。该模型包括1个控制模块、3个执行模块、4个电池模型和1个恒流源。

(1)控制模块的作用是采集并比较电池组中相邻两节单体电池的SOC大小，若SOC差值达到均衡条件，开启均衡将脉冲信号加在开关管上，启动均衡过程；

(2)执行模块包括开关管、恒流源、电感、二极管，开关管频率设为50 kHz，占空比50%，电感值1 mH；

(3)本文采用力神LP2770102AB型锂离子电池作为实物样本，电池模型选择锂离子电池(lithium-ion)，设定公称电压为3.2 V，额定容量为11.5 Ah。放电均衡用到的四节电池初始SOC分别为92%、90%、89%、93%，充电均衡时初始SOC分别为58%、60%、63%、59%；

(4)充、放电均衡用恒流源进行5 A的恒流充、放电过程。整个仿真过程历时60 s，模拟电池组在充、放电过程中的均衡效果。

为了更进一步地明确该均衡系统的有效性和实际应用价值，我们将该均衡系统与实际应用中最为常见的电阻均衡系统做一个对比仿真测试，它的仿真模型如图5所示。

图5 电阻均衡仿真模型

该均衡的控制策略选择平均值法，首先求取当前电池组SOC的平均值，当单体电池的SOC值大于平均值0.2%时，开启均衡，当小于0.2%时停止。

2.2 Stateflow设计

在当前控制领域中，使用基于MATLAB平台的Simulink/ Stateflow组态仿真开发环境进行系统建模仿真已成为主流。Simulink提供了面向方框图的开发环境来完成动态系统组态开发和仿真，而Stateflow使用流程图和状态转换图来开发基于层次状态机的事件驱动系统[8]。

本文利用Stateflow完成均衡的控制，通过图形化工具实现在系统不同状态之间的转换。系统中包含9种状态，分别为6个开关管驱动信号的产生与停止；迁移条件为|SOC差值|＞0.2%时开启均衡，|SOC差值|＜0.2%时停止。若满足迁移条件，系统进入相应的状态。通过Stateflow技术，仿真中可直接观察到状态的改变既整个均衡控制的过程，如图6所示。

图6 基于Stateflow的均衡控制图

3 仿真结果分析

图7和图8为采用本文所设计均衡系统时，电池组充、放电过程中电池SOC变化曲线图，图9和图10为采用电阻均衡时SOC变化曲线图，两系统选择的均衡启停条件相同，从中可见，采用本文所设计的均衡系统时，在电池组充、放电的过程中，单体电池在均衡回路的作用下，SOC逐渐趋于一致，放电时在48 s左右，单体电池SOC曲线先后呈线性，说明了相邻电池SOC差值已小于0.2%，均衡停止，而电阻均衡在相同时间内，并不能很好地完成电池组均衡，同时，为了避免电池组能量过度损耗，均衡不能频繁开启，实际应用中，均衡启停条件需要设置得偏大，不能很好地完成均衡。

通过图7～图10可见，该均衡电路和均衡策略在仿真模式下能有效解决电池间电量的不均衡问题，且误差满足设计要求，明显好于电阻均衡系统。

Research of power battery active balancing control based on Stateflow

The balancing control of power battery was a key technology for BMS,which ensured the working life and discharging capacity of the batteries in electric vehicles.An active two-way balancing control circuit with inductors was adopted,and the simulation in MATLAB was completed by using the Stateflow.The results show that circuit is able to realize the balancing between different electric quantity of batteries rapidly.

power battery;balance control;Stateflow;MATLAB

TM912

A

1002-087X(2016)12-2444-02

2015-05-03

赵钢(1962—)，男，天津市人，教授，硕士生导师，主要研究方向为电力电子应用及计算机控制等。