基于流挖掘與切換電量的主動(dòng)均衡算法研究

汪 光，趙 理,2，李 昆，客漢宸，李俊麗

(1.北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192；2.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100192)

鋰動(dòng)力電池具有自放電率低、能量密度高、無(wú)記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，因此成為電動(dòng)汽車的主要?jiǎng)恿碓?。為滿足電動(dòng)汽車的功率需求，通常將成百上千塊單體進(jìn)行串并聯(lián)，組合成動(dòng)力電池組給電動(dòng)汽車供電[1]。由于生產(chǎn)制造工藝、成組技術(shù)、使用過程的不同，電池單體間的不一致性將逐漸增大，導(dǎo)致電池包整體能量利用率降低，行駛里程變短，且極易引起過充、過放，損壞電池，因此電池組主動(dòng)均衡技術(shù)逐步成為動(dòng)力電池領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[2]。

主動(dòng)均衡技術(shù)主要是通過電容、電感、變壓器等中間儲(chǔ)能元件和開關(guān)陣列實(shí)現(xiàn)電量在電池單體間的轉(zhuǎn)移，從而消除單體間的不一致性[3-4]。其中基于開關(guān)電容的均衡拓?fù)渚哂须娖髟?、控制?jiǎn)單、均衡效率高等優(yōu)點(diǎn)，常被用于電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的均衡控制[5]。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于單開關(guān)電容的均衡電路，通過一對(duì)占空比與頻率恒定的脈沖信號(hào)對(duì)開關(guān)管進(jìn)行控制，但當(dāng)被均衡的電池單體間電壓差相對(duì)較小時(shí)，均衡電流顯著變小，均衡速度明顯下降。文獻(xiàn)[7]提出一種基于多繞組變壓器和超級(jí)電容的均衡電路，但隨著電池單體數(shù)量的增加，變壓器的副邊繞組和開關(guān)也會(huì)增加，整體結(jié)構(gòu)也變得復(fù)雜，均衡控制的難度也逐漸增大。文獻(xiàn)[8]提出一種模塊化的開關(guān)電容均衡電路，模塊內(nèi)的單體和模塊與模塊之間都通過反復(fù)循環(huán)的方式與電容器相連接，降低了開關(guān)管的使用頻率，提高了均衡的效率，但會(huì)造成能量的反復(fù)流動(dòng)，增加電量的損耗。以上文獻(xiàn)大多采用基于端電壓或荷電狀態(tài)(SOC)的主動(dòng)均衡標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池組中單體隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)其容量差異逐漸變大或傳感器噪音較大時(shí)，傳統(tǒng)的主動(dòng)均衡算法由于端電壓或SOC不能準(zhǔn)確反映電池單體絕對(duì)電量的差異而導(dǎo)致均衡效率變低。

針對(duì)該問題，本文提出一種基于流挖掘與切換電量的動(dòng)力電池組主動(dòng)均衡算法，該算法采用直接反映電池單體電量差異的切換電量作為均衡變量，利用流挖掘算法進(jìn)行切換電量的積累，提高了傳統(tǒng)主動(dòng)均衡算法的效率及有效性。

1 基于流挖掘與切換電量的均衡算法

1.1 流挖掘算法與切換電量

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘算法通常是對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)集進(jìn)行挖掘，但針對(duì)實(shí)時(shí)快速到達(dá)、數(shù)據(jù)量無(wú)限、存儲(chǔ)困難的數(shù)據(jù)流進(jìn)行挖掘時(shí)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)挖掘算法就存在缺陷了，此時(shí)需要一種新的數(shù)據(jù)挖掘算法，即流挖據(jù)算法[9]。數(shù)據(jù)流挖掘技術(shù)是一個(gè)從快速且連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄中挖掘出有用信息的過程[10]。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組均衡過程中，會(huì)源源不斷地產(chǎn)生電壓、電流等數(shù)據(jù)，具有數(shù)據(jù)量龐大、實(shí)時(shí)產(chǎn)生、不能全部存儲(chǔ)等特點(diǎn)，與數(shù)據(jù)流相符，可以使用流挖掘算法從上述數(shù)據(jù)中挖掘出有用信息用來指導(dǎo)均衡過程。本文提出一種新的均衡變量，即切換電量，切換電量是指每次均衡過程單體電池充電或者放電的電量，通過對(duì)電流的積分得到，通過流挖掘算法可挖掘出整個(gè)動(dòng)力電池組切換電量的概要信息，以此來智能控制需要均衡充電和均衡放電的單體，實(shí)現(xiàn)均衡功能。

1.2 均衡拓?fù)?/h3>

單開關(guān)電容均衡拓?fù)渚哂须娙輸?shù)量少、控制簡(jiǎn)單、均衡參數(shù)間關(guān)聯(lián)性小等優(yōu)點(diǎn)，本文以單開關(guān)電容均衡拓?fù)錇槔齺眚?yàn)證基于流挖掘與切換電量的主動(dòng)均衡技術(shù)。該拓?fù)渲饕▎误w電池、開關(guān)陣列、傳感器及電容器。主動(dòng)均衡過程中，通過均衡算法周期性地選擇有效容量最高及最低的單體分別與電容器相連來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)均衡過程，均衡拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 均衡電路拓?fù)?/p>

1.3 切換電量概要信息挖掘過程

本小節(jié)主要是介紹流挖掘算法挖掘各單體電池的切換電量的過程。以單開關(guān)電容均衡拓?fù)錇榛A(chǔ)設(shè)計(jì)均衡電路，通過脈沖信號(hào)周期性控制開關(guān)陣列通斷，實(shí)現(xiàn)單體與電容器間的連接，實(shí)現(xiàn)均衡放電和均衡充電。其中脈沖信號(hào)上半周期T1進(jìn)行電池單體放電均衡，下半周期T2進(jìn)行電池單體充電均衡。下面對(duì)均衡過程中的一些數(shù)據(jù)和變量進(jìn)行定義。

定義一：?jiǎn)误w單次切換電量Qn(t)，單體切換電量總量Qn。n為電池單體的編號(hào)，令i(t)為流過單體Celln和電容器C1之間的瞬時(shí)電流，單體放電均衡時(shí)電流為正，充電均衡時(shí)電流為負(fù)。Qn0為初始時(shí)刻Celln的總切換電量。Qn(t)和Qn可由以下公式求解：

定義二：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間QS 和QS*。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的格式為(n,Qn)，其中n為電池單體的編號(hào)，Qn為單體切換電量總量。QS 為切換電量概要信息積累過程中所用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，QS*為切換電量概要信息消耗過程中所用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。

算法流程：

(1)初始化QS，清除歷史數(shù)據(jù)。

(2)記錄數(shù)據(jù)。當(dāng)輸入電池?cái)?shù)據(jù)[n,i(t)]時(shí)，首先查看QS是否已經(jīng)存在n號(hào)電池的數(shù)據(jù)，若存在，根據(jù)公式(2)更新Qn，若不存在，則在QS 中新建一個(gè)輸入(n,Qn)。

(3)根據(jù)切換閾值Qmax判斷系統(tǒng)是否滿足切換需求，是，則跳轉(zhuǎn)到步驟(4)；不是，則跳轉(zhuǎn)到步驟(2)。

(4)將當(dāng)前QS 中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到QS*(1.4 均衡控制策略需用到QS*中的數(shù)據(jù))，再返回去執(zhí)行步驟(1)。

1.4 基于流挖掘和切換電量的主動(dòng)均衡策略

本文提出一種基于流挖掘和切換電量的主動(dòng)均衡策略。用流挖掘算法挖掘電池組中切換電量累積量最高與最低的電池，用累積量最高的電池給最低的電池進(jìn)行均衡，可以避免傳統(tǒng)均衡策略中所存在的電量反復(fù)流動(dòng)造成能量浪費(fèi)的問題。均衡控制流程如圖2 所示。

圖2 基于流挖掘與切換電量的均衡控制流程

1.5 單開關(guān)電容均衡原理分析

基于開關(guān)電容的電池均衡策略根據(jù)單體與電容器之間的電壓差實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)。設(shè)一個(gè)均衡周期內(nèi)電壓最高單體的電壓為Vmax，電壓最低單體的電壓為Vmin，電容器的初始充電電壓為Vi，ic_charging為電壓最高的單體Celln流入電容器的瞬時(shí)電流，則放電周期T1中電容器的電壓和電流為：

式中：u、T分別為脈沖信號(hào)的占空比和周期；R為電容器內(nèi)阻、電池單體內(nèi)阻和開關(guān)管內(nèi)阻三者之和；C為電容器的電容。

則在此充電均衡周期內(nèi)切換電量Qn(T1)可以表示如下：

同理，在T2充電均衡周期中電容器的電流、電壓以及切換電量可用以下公式表示，Vf為電容器的初始電壓。

2 仿真模型

在Matlab/Simulink 環(huán)境下，使用SimPowerSystems 模塊中電池單體模型搭建了基于流挖掘與切換電量均衡模型，如圖3 所示。

圖3 基于流挖掘與切換電量的均衡仿真模型

模型以5 節(jié)磷酸鐵鋰單體串聯(lián)構(gòu)成的電池組作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，5 塊電池依次編號(hào)為1～5，電池的額定容量、內(nèi)阻分別設(shè)為：4 Ah、0.008 2 Ω，3.8 Ah、0.008 4 Ω，3.2 Ah、0.008 8 Ω，2.8 Ah、0.012 5 Ω，3.6 Ah、0.009 6 Ω；電池的標(biāo)稱電壓、滿充電壓、放電截止電壓、初始SOC分別為3.2 V、3.7 V、2.5 V、100%。電容器的初始電壓為2.5 V，電容為100 F。開關(guān)管內(nèi)阻、緩沖電阻分別為0.001、10 000 Ω。通過周期性的脈沖信號(hào)進(jìn)行開關(guān)控制，實(shí)現(xiàn)單個(gè)周期內(nèi)電池單體的充電均衡和放電均衡，脈沖信號(hào)的周期初值和占空比初值分別設(shè)為2 s 和50%。

3 仿真分析

3.1 算法運(yùn)行過程分析

圖4 展示了基于流挖掘算法挖掘切換電量概要信息的過程。當(dāng)單體進(jìn)行放電均衡時(shí)，電容器電流為正，電池單體切換電量累積量逐漸增大，如圖4 中A1～A4 所示。當(dāng)單體進(jìn)行充電均衡時(shí)，電容器電流為負(fù)，電池單體切換電量累積量逐漸減小，如圖4 中B1～B4 所示。

圖4 切換電量概要信息挖掘過程

3.2 均衡策略對(duì)比

基于端電壓與基于流挖掘與切換電量均衡的結(jié)果如圖5所示，圖中對(duì)電容器電壓、切換電流作了詳細(xì)展示，并對(duì)A、B兩個(gè)區(qū)域的切換電流進(jìn)行了放大展示。由圖5 可知，10 000 s仿真時(shí)長(zhǎng)內(nèi)基于流挖掘與切換電量均衡時(shí)進(jìn)行了6.7 次充放電循環(huán)，而基于端電壓均衡時(shí)進(jìn)行了7.2 次充放電循環(huán)，表明基于流挖掘與切換電量的均衡策略能夠提高單次充放電循環(huán)的時(shí)長(zhǎng)，與基于端電壓均衡相比，均衡效率更高。

另外從A、B 的放大圖來看，當(dāng)單體電池之間的不一致性較大時(shí)，基于端電壓的均衡策略無(wú)法選擇正確的單體進(jìn)行均衡，這導(dǎo)致了圖5(b)中切換電流不規(guī)則變化。相反的，基于切換電量的均衡策略可以統(tǒng)計(jì)出歷史信息中各個(gè)單體的切換電量數(shù)據(jù)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)信息可以正確選擇出需要均衡的單體，實(shí)現(xiàn)均衡操作，故呈現(xiàn)出圖5(a)中規(guī)則變化的切換電流。

圖5 均衡策略對(duì)比

3.3 周期和電容對(duì)所提出算法均衡效果的影響

為探究脈沖信號(hào)周期、占空比、電容器電容對(duì)所提出算法均衡效果的影響規(guī)律，在電池單體內(nèi)阻、容量等參數(shù)不變的條件下，改變周期、占空比和電容，進(jìn)行均衡仿真實(shí)驗(yàn)。將電容值分別設(shè)為0、0.1、1、10、50、100、200、300、400 F，周期分別設(shè)為1、1.5、1.8、2、2.3、2.5、5、10、30、50 s，占空比分別為20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%。使用控制變量法，改變其中的一個(gè)參數(shù)，其他參數(shù)不變，進(jìn)行充放電均衡，同時(shí)記錄10 000 s 仿真時(shí)長(zhǎng)內(nèi)充放電循環(huán)次數(shù)，以此評(píng)價(jià)上述參數(shù)對(duì)所提算法均衡效果的影響。

由圖6 可知，充放電循環(huán)次數(shù)隨著電容器電容的增大而逐漸減小，即電容越大，單次充放電循環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)，均衡效果越好。當(dāng)電容小于1 F 時(shí)，充放電循環(huán)次數(shù)只減少了0.1 次，說明電容較小時(shí)均衡效果較差，而且電容較小時(shí)改變周期對(duì)整體均衡效果沒有影響。而當(dāng)電容器電容值大于等于10 F時(shí)，均衡效果顯著變好，此時(shí)充放電循環(huán)次數(shù)隨著周期的增大而先減小再增大，即均衡效果隨著脈沖信號(hào)周期的增大而先變好后變差，充放電循環(huán)次數(shù)在周期為1.8 s 處取得最小值，此時(shí)均衡效果最好。

圖6 脈沖信號(hào)周期和電容對(duì)均衡效果的影響

3.4 占空比對(duì)所提出算法均衡效果的影響

由圖7 可知，脈沖信號(hào)周期不同時(shí)，充放電循環(huán)次數(shù)隨占空比的變化也呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。當(dāng)周期大于等于5 s時(shí)，循環(huán)次數(shù)隨占空比的增大而呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在占空比為50%時(shí)取得最小值，但整體的變化幅度較小。當(dāng)周期小于等于2 s 時(shí)，改變占空比，循環(huán)次數(shù)的變化幅度較大，而且不同周期改變占空比對(duì)均衡效果的影響不盡相同。由式(5)和式(8)可知，單次均衡的充放電均衡電量和充放電均衡時(shí)間密切相關(guān)，而充放電時(shí)間由周期和占空比相乘所得，所以不同周期下改變占空比對(duì)單次均衡電量的影響規(guī)律不一定相同，對(duì)整體均衡效果的影響規(guī)律也不盡相同。

圖7 周期和占空比對(duì)均衡效果的影響

由圖8 可知，當(dāng)脈沖信號(hào)周期為2 s 時(shí)，在不同電容下改變占空比，充放電循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律相同，說明當(dāng)周期確定時(shí)，脈沖信號(hào)的占空比對(duì)均衡效果的影響規(guī)律不隨電容器電容的改變而改變。

圖8 電容和占空比對(duì)均衡效果的影響

3.5 噪音對(duì)算法的影響

圖9、圖10 展示了有噪音時(shí)基于端電壓和基于流挖掘與切換電量均衡過程中流過單體Cell1～Cell5的電流變化情況。由圖9 可知，當(dāng)隨機(jī)噪音-0.2～0.2 V 加載到被測(cè)單體端電壓上時(shí)，基于端電壓均衡會(huì)選擇一些不合適的單體進(jìn)行充電均衡和放電均衡，即電池單體Cell3、Cell5也進(jìn)行充放電均衡，導(dǎo)致電量在單體間的無(wú)效流動(dòng)，降低了均衡效率，也降低了整個(gè)電池組的能量利用率。而由圖10 可知，同等條件下基于流挖掘與切換電量均衡仍能選擇正確的單體進(jìn)行充放電均衡，即Cell1、Cell2(高容量單體)進(jìn)行放電均衡，Cell4(低容量單體)進(jìn)行充電均衡，Cell3、Cell5不進(jìn)行均衡操作，避免了能量無(wú)效流動(dòng)造成的浪費(fèi)。

圖9 基于端電壓均衡時(shí)的電流變化

圖10 基于流挖掘與切換電量均衡時(shí)的電流變化

由上述分析可知基于流挖掘與切換電量的均衡算法抑制噪音信號(hào)干擾的能力要強(qiáng)于傳統(tǒng)基于端電壓的均衡算法。使用基于流挖掘與切換電量的均衡算法能夠使均衡系統(tǒng)在有無(wú)噪音的條件下都能準(zhǔn)確地選擇所需均衡的單體，避免能量無(wú)效流動(dòng)，提高均衡效率和能量利用率。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種基于流挖掘與切換電量的主動(dòng)均衡策略，以單開關(guān)電容均衡拓?fù)錇榛A(chǔ)，以流挖掘算法挖掘出各單體切換電量概要信息為控制目標(biāo)，搭建了基于流挖掘切換電量的均衡仿真模型。仿真結(jié)果表明，本文所提出的均衡策略能夠準(zhǔn)確選擇均衡單體，避免能量的來回流動(dòng)，因而能顯著延長(zhǎng)單次充放電循環(huán)的時(shí)間，提高均衡效率。