串联蓄电池组均衡电流控制方法研究_刘欣博.pdf
《串联蓄电池组均衡电流控制方法研究_刘欣博.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《串联蓄电池组均衡电流控制方法研究_刘欣博.pdf(10页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、2023年第41卷第3期串联蓄电池组均衡电流控制方法研究刘欣博,施俊甫,黄学昊(北方工业大学 电气与控制工程学院,北京100144)0引言目前,蓄电池构成的储能系统广泛应用于微电网和新能源汽车等领域。为满足储能系统的电压和功率要求,需要将单体蓄电池通过串并联的形式组成蓄电池组。串并联蓄电池组各个单体电池由于生产和工作环境等原因,会产生不一致性1。单体蓄电池将直接影响整个电池组的寿命、容量等性能,为避免出现“短板效应”,需要及时对蓄电池进行均衡控制,从而消除差异,保证蓄电池组能量的基金项目 北京市教委科技项目“可灵活扩容的交流微网系统稳定运行控制”(KM201910009010)A b s t
2、r a c t:Battery energy storage system is widely used in micro grid and new energy vehicles.In battery packs,theperformance of single battery will affect the performance of the entire battery pack.Therefore,it is necessary to balance thecontrol to eliminate the difference between the batteries and en
3、sure the performance of the entire battery pack.This paperselects the series battery pack for equalization research,using the state of charge(SOC)as the equalization basis,selects asecond order RC equivalent circuit battery model,obtains the battery data by the hybrid pulse power characteristicexper
4、iment,uses Matlab for parameter identification,and estimates the SOC according to the extended Kalman filterprinciple.Based on the equalization circuit of Cuk,the variance of each battery SOC is used as the judgment condition tocontrol the equalization of the battery.The simulation and experiment ve
5、rify the rationality of the battery model of thesecondorder RC equivalent circuit,the accuracy of SOC estimation based on extended Kalman filter,and the equalizationcurrent control strategy based on Cuk equalization circuit,which achieves equalizing current control.K e yw o r d s:equalization curren
6、t;Cuk circuit;quantitative control;SOC estimation;extended Kalman filterRe s e a r c ho nCo n t r o l M e t h o do fEq u a l i z i n gCu r r e n tf o rSe r i e sBa t t e r yPa c k sLIU Xinbo,SHI Junfu,HUANG Xuehao(School of Electrical and Control Engineering,North China University of Technology,Beij
7、ing100144,China)摘要:蓄电池储能系统广泛应用于微电网和新能源汽车等领域,在蓄电池组中,单体蓄电池的性能会影响整个电池组的性能,需要均衡控制消除蓄电池间的差异性,保证整个蓄电池组的使用性能。针对以上问题,选择串联蓄电池组进行均衡研究,以荷电状态(State of Charge,SOC)作为均衡依据,选取二阶RC等效电路的电池模型,通过混合脉冲功率特性实验得到电池数据,用Matlab进行参数辨识,根据扩展卡尔曼滤波原理对SOC进行估计。基于Cuk均衡电路,以各蓄电池SOC的方差作为判断条件控制蓄电池组的均衡工作开启。仿真和实验验证了二阶RC等效电路的电池模型合理性和基于扩展卡尔曼滤
8、波估计SOC的准确性,以及基于Cuk均衡电路的均衡电流控制策略的有效性,实现了均衡电流控制。关键词:均衡电流;Cuk电路;定量控制;SOC估计;扩展卡尔曼滤波文献标志码:A文章编号:1008-6218(2023)03-0026-10中图分类号:TM912doi:10.19929/ki.nmgdljs.2023.0036引用格式:刘欣博,施俊甫,黄学昊.串联蓄电池组均衡电流控制方法研究J.内蒙古电力技术,2023,41(3):2635.LIU Xinbo,SHI Junfu,HUANG Xuehao.Research on Control Method of Equalizing Current
9、 for Series Battery PacksJ.InnerMongolia Electric Power,2023,41(3):2635.内 蒙 古 电 力 技 术INNER MONGOLIA ELECTRIC POWER26高效利用。如何准确地建立电池模型以实现电池数据监测、荷电状态(State of Charge,SOC)估算等一直是研究重点。Rint是等效电路模型中最为简单的内阻模型,但容易受电池状态及环境变化的影响,文献2对Rint模型改进,将电池内阻分为欧姆电阻和极化内阻。Thevenin在Rint的基础上添加了一个RC环节,文献3研究表明一阶RC等效电路欧姆内阻参数的变化具有
10、复杂的动力学行为。PNGV模型在Thevenin模型的基础上增加了一个电容4-5,但是精度提升有限,运算更为复杂。GNL模型在PNGV模型的基础上串联了两个RC环节,结构更加复杂,精度更高,能够较好地体现蓄电池的化学特性和电特性6-7。Massimo Ceraolo模型虽然精度很高,但是过于复杂,参数辨识难度很大8。随着锂电池种类和模型的快速发展,SOC的估计方法也增多。安时积分法不适合长时间估计SOC,长期单独使用将会引入较大的误差,仅适用于短时内准确估计SOC9。文献10-11通过精简的开路电压法快速并相对准确地估算了磷酸铁锂电池的SOC。为了解决安时积分法不能确定电池SOC初始值和开路电
11、压法需要电池长时间静置的问题,文献12提出使用安时积分法与开路电压法相结合的方法估计电池SOC值。放电实验法是通过放电的形式进行SOC估计,但需要将电池停止工作,并且放电时间较长,不适用于在线估计SOC。卡尔曼滤波算法主要通过噪声方差和递归的协方差矩阵修正目标状态,对SOC的估计精度较高,对初始值依赖小,自适应能力强13-16。文献17-19应用神经网络算法对电池 SOC 进行事实估计,但在实际使用前,需要建立合适的网络模型并输入大量的样本数据进行训练与学习,准备工作较为复杂。目前,实现电池组的均衡控制,主要的方法是在拓扑中加装均衡电路20。均衡电路拓扑按照能量耗散方式可分为主动均衡和被动均衡
12、,被动均衡主要是通过外接电阻实现分流放电进行均衡,速度慢,均衡效率低,虽然文献21重新设计与改造了被动均衡电路,能量损耗和均衡时间都有所减少,但是主动均衡控制已成为近几年的主要研究对象。主动均衡主要利用储能元件,采用集中控制等方法实现电池能量的转移22-23。电容均衡具有反应速度快、功率密度高和循环寿命长等优点,适用于电池均衡电路24,但基于储能电容的均衡电路只能以端电压为均衡准则,不能实现SOC均衡,当两节电池电压相差较小时,均衡速度较慢。文献25提出了一种基于串并联开关电容的均衡电路,将最大电压电池中的能量高效快速地转移到其他小电压电池中,缩短了能量传输路径,提高了均衡速度。电感型均衡电路
13、均衡速度快,均衡效率高,但是开关控制复杂26。文献27提出了一种混合开关电容和开关电感的新型均衡电路,其与传统开关电容均衡电路相比具有更快的均衡速度。文献28对经典Buck-Boost电路进行改进后作为串联电池组均衡单元,开关器件有所减少,可实现低功耗高效率。传统的Buck-Boost变换器均衡电路控制简单,均衡速度快,能量损耗小,但是当两节电池距离较远时,能量逐级传递,不仅增加了均衡时间,也降低了均衡效率29。Cuk变换器均衡电路可以实现相邻两节电池间的能量转移,均衡电流连续,具有更高的均衡速度30。本文主要针对串联蓄电池组的差异性问题进行均衡研究,选用二阶RC等效电路作为电池模型,对比常用
14、的几种均衡拓扑,选择基于Cuk的均衡电路作为主电路,并制定相应的均衡电流控制策略,最大电流设计为40 A。采用SOC作为均衡依据,通过混合脉冲功率特性(Hybrid Pulse Power Charaterzation,HPPC)实验进行参数辨识,使用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter,EKF)对SOC进行估计。选用额定容量为60 Ah,额定电压为3.3 V的磷酸铁锂动力蓄电池进行实验,在硬件平台实现均衡电流控制。1均衡方案整体设计1.1均衡依据判断蓄电池不平衡的标准主要有单体电池的端电压和单体电池的SOC。在进行均衡控制时,电池端电压与SOC具有一一对应的关系,通过
15、比较各蓄电池的端电压进行均衡控制31,但当电池在动态过程中或大电流下,电池端电压与SOC呈非线性关系,当SOC在40%80%时,端电压变化不明显,当SOC在040%以及80%100%时,端电压变化相对明显。当电池处于充放电状态下时,因为电池的内部结构和极化效应的影响,电池端电压还会出现上升和下降的现象。随着蓄电池的使用,其内阻会逐渐增大,容量将减小,这就导致开路端电压与SOC的对应关系逐渐改变。而SOC估计能够增加电池寿命和温度等2023年第41卷第3期刘欣博,等:串联蓄电池组均衡电流控制方法研究27影响SOC的因素系数,从而避免电池的SOC估计不准确。同时,针对不同的工作电流,电池的端电压也
16、不一样,并不能表示出电池的剩余电量,而SOC可以直接表示。因此本文以单体蓄电池的SOC作为均衡依据,对串联蓄电池组进行控制。1.2均衡拓扑选择根据本文所控制的均衡电流,均衡拓扑选择基于 Cuk 变换器的均衡电路。该均衡电路类似于Buck-Boost的双向均衡电路,可实现能量的双向流动,但相较于Buck-Boost的双向均衡电路的蓄电池电流,基于Cuk的双向均衡电路的蓄电池电流可以连续流动。基于 Cuk 的双向双层桥臂均衡电路如图 1 所示。该均衡电路主要分为两部分,左半部分为双层桥臂结构,用来选择需要进行均衡控制的单体蓄电池;右半部分为基于Cuk的均衡主电路,执行均衡功能,控制能量的双向流动。
17、B1BN为蓄电池组,双向桥臂开关矩阵电路由上、下桥臂功率开关矩阵S构成,均由n对反向串联的功率MOSFET开关组成的双层功率开关矩阵。均衡主电路是双向Cuk电路,由储能元件电感L1、L2,电容C,电压源E,两个主控开关Q1和Q2构成,D1和D2为二极管,通过主控开关的脉宽调制控制(Pulse Width Modulation,PWM)使均衡能量在单体电池与均衡电路之间转移。电池组充电时通过降低电池组中电压或SOC最高单体电池的充电电流来提高整个电池组的充电容量;电池组放电时通过降低电池组中电压或SOC最低单体电池的放电电流来提高整个电池组的放电容量。这种双层桥臂的均衡电路一方面可以防止均衡过程
18、中电池短路,另一方面可以实现能量通过Cuk电路双向流动,从而实现充电均衡和放电均衡。2SOC估计方法及均衡控制策略2.1电池模型选择选用电气模型中的二阶RC等效电路模型,如图2所示。二阶RC等效电路模型在一阶Thevenin等效电路模型的基础上,多增加了一个一阶RC电路。其中,一个RC电路用来表示电化学极化效应,另一个RC电路表示浓差极化效应。该模型能够良好的反应电池的内阻和瞬间响应,表现电池在工作状态下的稳态特性和暂态特性,结构简单,模型精度较高。模型的数学表达式如式(1)所示:Uout=Uocv-U1-U2-iR0,(1)U1R1+C1dU1dt=i,(2)U2R2+C2dU2dt=i,(
19、3)式中:U1、U2分别为电容C1、C2两端电压,V;t为时间,s。2.2参数辨识确定电池的等效电路模型后,根据所选模型对其各个电路元件进行参数辨识,以便使用扩展卡尔曼滤波(EKF)对电池进行SOC估计。据FreedomCar手册中介绍的HPPC实验32,主要分为三段,如图3所示。电池进行10 s的1 C电流放电,40 s的静置时间,10 s的0.75 C电流充电。每完成1次HPPC实验阶段,则对电池放电10%的SOC进行估计,然后静置1 h,准备下一次HPPC实验。以1 s作为采样时间间隔,记录电池在实验中的电流和端电压等数据。根据文献33中介绍的HP图1基于Cuk的双向双层桥臂均衡电路Fi
20、g.1 Bidirectional doubledeck bridge arm equalizationcircuit based on CukB1B2BNS1S3S2i-1 S2N-1L1CL2S2S4S2iS2NQ1D2D1Q2E图2二阶RC等效电路模型Fig.2 Secondorder RC equivalent circuit modeliR1R2R0UoutUocv+-+-C1C2Uout图中:Uout为电池两端电压;Uocv为电池内部电压,该参数在一定情况下与该电池的SOC有固定的映射关系;C1、C2为电容;R1、R2为极化电阻;i为放电电流;R0为电池内阻,在冲放电过程中会引起电
21、池输出电压Uout的突变。2023年第41卷第3期内 蒙 古 电 力 技 术28PC实验参数辨识方法,在HPPC的静置时段,属于零输入响应,结合上文选取的二阶RC等效电路模型列写零输入响应的表达式:|Uout=Uocv+U1+U2U1=U10exp|-t1U2=U20exp|-t2,(4)式中:1、2分别为两组RC的时间常数,s;U10、U20分别为两组极化电压的初始值,V。在HPPC实验的放电时段,属于零状态响应,结合上文选取的二阶RC等效电路模型列写零状态响应的表达式:|Uout=Uocv+U1+U2+IR0U1=IR1|1-exp|-t1U2=IR2|1-exp|-t2。(5)根据式(4
22、)和式(5),使用Matlab工具箱进行曲线拟合,可以分别得到时间常数1、2和极化电阻R1、R2。根据上文中提到的放电电阻,在10%的SOC放电结束时刻和1 h静置开始时刻,根据压降和放电电流计算得到放电电阻值。因为HPPC不能在每一个SOC点进行实验,所以放电每隔10%的SOC就进行一次 HPPC 实验,从而得到一组等效电路的参数。但蓄电池在实际使用中,SOC和电池参数都随蓄电池的工作时间连续变化,所以需要根据辨识的参数进行曲线拟合,得到每一个SOC点所对应的电池参数,以便于进行后面的SOC估计。2.3SOC估计利用改进的卡尔曼滤波直接对非线性系统状态进行估计的方法叫做扩展卡尔曼滤波(EKF
23、),适用于非线性系统。本文基于EKF进行SOC估计,该方法利用安时积分法短时间估计SOC的准确性,通过开路电压法弥补安时积分法长时间估计SOC存在较大误差和SOC初始值估计不准确的缺点,再结合卡尔曼滤波法滤除过程噪声和测量噪声,从而对SOC进行估计并矫正,得到当前SOC的最优估计值。非线性离散系统的状态方程和观测方程如式(6)和(7)所示:Xk+1=f()k,Xk+GkWk,(6)Zk=h()k,Xk+Vk,(7)式中:k为时刻;Xk和Xk+1分别为系统k时刻和k+1时刻的状态;Gk为k时刻噪声驱动矩阵;Wk为k时刻过程噪声,均值为零的高斯白噪声;Vk为k时刻测量噪声,Zk为k时刻测量值。首先
24、,扩展卡尔曼滤波将非线性函数进行局部线性化处理。由式(6)的系统状态方程将非线性函数f(*)围绕状态量估计值X?k做一阶Taylor展开,令|fX?k=fX?k,kX?kX?k=Xk=|k+1 k,(8)|fX?k,k-fXkXk=X?kX?k=k,(9)得到状态方程为:Xk+1=k+1|kXk+GkWk+k。(10)由式(7)的观测方程,将非线性函数h()*围绕X?k做一阶Taylor展开,令yk=hX?()k|k-1,k-|hX?kX?k=XkX?()k|k-1,(11)得到观测方程为:Zk=HkXk+yk+Vk。(12)然后,对线性化后的模型(8)和(9)应用线性卡尔曼滤波便可得到递推方
25、程式(13)(17):X?k+1-=f()X?k+,(13)Pk+1-=k+1-P?k+k+1-T+Qk+1,(14)Lk+1=Pk+1-Hk+1THk+1Pk+1-Hk+1T+Rk+1,(15)图3HPPC实验Fig.3 HPPC experimentt1.510.50-0.5-1-1.5电流倍率/C020406080t/statbtctdte图中:tatb为电池静置时间;tbtc为恒定1 C电流放电10 s;tctd为电池静置40 s;tdte为恒定0.75 C电流充电10 s。2023年第41卷第3期刘欣博,等:串联蓄电池组均衡电流控制方法研究29X?k+1+=X?k+1-+Lk+1Zk
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 串联 蓄电池 均衡 电流 控制 方法 研究 刘欣博
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。