锂电池能量管理系统优化与策略研究*

张香林，吴曙东，李耐根

(新余学院，江西 新余 338004)

0 引言

锂电池作为新能源动力系统，是通过串并联的形式组成电池组对外提供电源。在锂电池使用过程中，由于电池单体之间的不一致[1,2]，使得某些电池“过充”或“过放”，从而提前老化，导致整个电池组无法正常工作。

为了延长电池组的使用寿命，需要对每一节电池进行精细化管理，使得每一节电池都不过度使用。为此，本文将通过MATLAB的电池模型[3]，构建基于SOC的主动均衡的串联电池充电系统和并联电池有序放电策略，对锂电池组能量管理系统进行优化，并通过仿真进行验证。

1 锂电池等效电路模型[4,5]

串联充电均衡控制仿真系统的基础是电池单体模型，本文所建立的锂电池模型是二阶RC等效电路模型。为了能够更加准确地表达锂电池工作实际情况，我们通过实验数据构建二维动态变化的仿真模型，其模型参数通过lookup table模块、二维查表的方式确定其动态值。图1为二阶RC电路模型，其中R0、R1、C1、R2、C2值都不仅受SOC影响，还随温度的变化而变化。

图1 二阶RC电路模型

2 串联电池均衡控制系统[6,7]

锂离子电池在生产过程中，由于工艺、流程、环境和人员的差异，各个动力电池必然存在不同，主要表现在电池容量、内阻等方面。这些差异，在电池使用过程中会进一步扩大。为了避免这种差异的进一步扩大，就要在电池使用过程中对每一节电池的充、放电情况进行精确管理，做到每节电池既不过充又不过放，才能保护电池，延长整个电池组的使用寿命并节约能源。

2.1 串联电池被动均衡控制系统

由于电池的差异主要表现在内阻上，性能好的内阻小，性能差的内阻大，因此串联电池组中，内阻大的电池先充满，首先达到高电压。被动型均衡电路如图2所示，假如第二节电池首先达到4.2 V，那么TL431导通，触发TIP42三极管导通，充电电流经过TIP42给下一节电池充电，同时第二节电池放电。

图2 被动型均衡电路

这种均衡系统是被动型，电路容易发热，均衡时间长，消耗功率大。而且这种电路是以比较电压为基准，由于电池的电压受环境温度、制造材料、制造工艺影响比较大，不能完全反映电池使用实际情况，因此容易出现电池“表面均衡”而实际并不均衡的问题。

2.2 串联电池主动均衡控制系统

由于被动均衡系统充电时间长，而且还具有“表面均衡”的缺点，因此我们对串联电池均衡系统进行优化。由于SOC(剩余容量)比电压更能反映电池的实际工作状况，因此我们设计了以SOC为比较基准的主动型均衡控制仿真系统，如图3所示。

图3 主动型均衡控制仿真系统

以SOC为基准的主动均衡控制系统的工作原理是:M1～M6均为MOSFET管，switch1～switch6信号控制均衡开启或关闭，如果比较电池SOC之间的差值大于某个值，switch的值为真，开启均衡，否则关闭均衡。该均衡电路不受拓扑结构的约束，可以在电池任何时间段、任何电池间均衡，便于实施均衡控制策略，节约均衡时间。

2.3 串联电池主动均衡控制策略

串联电池主动均衡控制系统中，可以比较相邻电池间的SOC，也可以比较相间电池的SOC的差值，作为启动均衡控制的条件。所以可以实施分组均衡控制策略，把SOC值相近的电池归为一组，SOC值相差大的归到另一组。在同一组的串联电池先均衡，然后在不同组的电池间均衡，以节约均衡时间。

我们通过MATLAB的Simulink搭建4节不同SOC值的串联电池均衡控制仿真模型，如图3所示，电池1、电池2、电池3、电池4的SOC值分别设为0.75、0.73、0.63、0.60，在模拟充电过程中实施主动均衡、分组控制策略，仿真运行结果如图4所示。

从图4中我们可以看到4节串联电池模拟充电时，其SOC值随时间变化的情况，SOC值相近的两节电池先均衡(电池1和电池2在未充满时就主动均衡；电池3和电池4也在未充满时就主动均衡)，同一组的电池一致以后，再在两组电池间均衡，最后4节电池SOC一致，直至充满。从仿真结果可知实施分组主动均衡策略的4节电池充满所花时间为9 386 s。

图4 串联电池主动均衡分组控制策略仿真结果

2.4 串联电池被动均衡控制策略

串联电池充电常用均衡控制策略是被动均衡控制，其原理是各节电池先各自充电，先充满电的电池再被动地与其相邻的电池均衡，以此类推，直至四节电池一致，仿真运行结果如图5所示。

图5 串联电池被动均衡仿真结果

从图5中我们可以看到串联电池采用被动均衡控制策略充电时其SOC值随时间变化的情况，电池1首先充满，然后再被动地与电池2均衡，以此类推。通过光标测量工具测得采用被动均衡控制策略充满4节电池需13 715 s。

2.5 结果分析

从仿真结果可知，实施主动均衡分组控制策略的4节电池充满所花时间为9 386 s；而采用被动均衡控制策略的4节电池充满且均衡所需时间为13 715 s。由此可知，我们优化的系统控制策略——主动均衡分组控制策略(以SOC为基准)所需时间比常用的被动均衡策略减少4 329 s，减少比例为31.5%。

3 并联电池组的循环电流控制

在串联电池主动均衡策略中，采用以SOC为比较基准进行均衡，这种均衡更能准确地反映电池的实际使用情况，保护电池不至于“过充”或“过放”，但是动力电池组是由多个串联电池组并联对外供电，所以以SOC为基准的均衡会出现并联电池组电压不一致的问题，出现循环电流。以电压为基准的均衡电路，在使用过程中，由于电池内阻不一致，内阻大的电池放电时电压下降更快，导致并联电池组电压不一致，并联电池组间也会出现循环电流。因此，不管采用何种方式均衡，并联电池组间都会出现电压差而不时存在循环电流。

由于电池内阻只有毫欧级别，1 V的电压差就可以产生10 A以上的循环电流。为此，我们设计了一种采用MOSFET管的低电压大电流的单向导通电路如图6所示，MOSFET管M7与3、2之间的电池组串联，MOSFET管M8和4、2之间的电池组串联。

图6 并联有序放电拓扑结构

虽然MOSFET管可以双向导通，但是通过控制策略可以实现单向导通。以图6为例，并联电池组对外供电时，当U32>U42，Switch1=1、Switch2=0，3和2之间的串联电池组对外供电；当U32

4 结论

以SOC为基准的串联电池主动均衡分组控制策略和常用的以电压为基准的被动均衡策略相比，前者均衡时间比后者减少31.5%。通过并联电池按电压高低顺序放电策略，有效减少了并联电池间的循环电流，节约能源的同时还保护了电池。在充电电压、电流基本一致的情况下，消耗能源与时间成正比，所以串联电池主动均衡分组控制策略可以节约能源31.5%，再加上并联系统节约的能源，文中设计的串并联控制策略系统比常用均衡系统节约能源31.5%以上。