基于互联和阻尼分配理论的锂电池均衡控制方法.pdf

Equipment ManufacturingTechnology No.6袁2023 基于互联和阻尼分配理论的锂电池均衡控制方法 1，2 1，2 甘 立 ，龙 雨 （1.广西大学机械工程学院激光智能制造与精密加工研究所，广西 南宁530004； 2.省部共建特色金属材料与组合结构全寿命安全国家重点实验室，广西 南宁530004） 摘要：现有的锂电池均衡方法分为被动均衡和主动均衡两种，其中被动均衡是将耗能电阻并联在要耗散能量的电池包电 芯上，利用电阻耗散其并联电芯上多余的能量，这会造成能量损失以及产生大量热能进而造成安全事故。主动均衡则是 以电感、电容和电力电子器件等储能器件作为媒介进行能量传递的一种均衡方式，这种方式具有能量耗散少，安全性大 幅提高等优点。为了实现低能耗的电芯均衡目标，对以低成本和双向能量传输为特点的改进Cuk转换器进行了动力学 建模，并基于互联和阻尼分配的无源控制（IDA-PBC）理论设计了均衡系统的控制算法。最后通过MATLAB/SIMULINK 以及专业电力电子仿真软件构建了均衡系统的控制器和电池包模型，仿真结果表明：应用IDA-PBC算法的均衡电池包 里的各电芯荷电状态（SOC）无论是在静置模式下还是放电模式下均会在很短的时间内收敛到一定范围，同时转换器里 的占空比也只有很小的振荡，这在一定程度上保护了Cuk转换器。 关键词：电芯均衡；Cuk转换器；IDA-PBC算法；荷电状态SOC 中图分类号：TM912 文献标志码：A 文章编号：1672-545X（2023）06-0044-07 [3] 0 引言 SOC/电压均衡。例如，欧阳 采用基于估计的准滑模 控制算法不仅可以精确地对电池包中每个电芯SOC 受限于单个电芯电压低和容量低的固有特性，数 进行估计，并且这种算法可以在放电和静置条件下， 百或数千个电芯必须串联或并联以形成满足实际应 短时间内实现电芯的SOC均衡；另外，欧阳在对电池 [1] 包的模组和电芯领域设计分层控制算法不仅实现了 用需求的高电压和高容量 电池包。然而，电池包中各 电芯的一致性本身因制造的差异就不相同，另外，其 各电芯最终SOC均衡的目标，也显示出高精度和低 [4，5] [6] 一致性也将随着电池包充放电次数的增加而变得更 算力的特点 ；ZhengJ等 应用变论域模糊控制算法 差。不一致性会降低电池包实际可供应的能量，缩短 对使用Cuk转换器作为均衡器件的电池包进行控制 电池包的寿命，并进一步发生电池包鼓包、起火甚至 也可以实现电池包中各串联电芯的电压均衡。然而， 爆炸事故。因此，对锂离子电池包中的各电芯进行全 迄今为止，还没有从能量角度设计过实现电池均衡的 面、高效的均衡管理是有必要的。 控制算法。 现阶段电池均衡主要包括以耗能电阻为主的被 互联和阻尼分配无源控制（IDA-PBC）是一种 [2] 动均衡和电力电子器件为主的主动均衡两种 。被动 从能量角度设计以实现控制目标的控制算法，最近 均衡是将耗能电阻并联在含有较多能量的电芯上，利 [7，8] [9] IDA-PBC算法在如智能电网 ，固态变压器 和DC/ 用电阻消耗掉其并联电芯上多余的能量。这会造成能 [10，1