张露 胡广地

摘要：为了使均衡系统能量效率达到最高，提出了一种改进的均衡电路参数优化方法，对均衡电池电路中的重要参数包括PWM波的占空比和周期T在初选值附近进行了优化，并利用Simulink设计了优化方法的仿真模型。仿真结果表明：单位周期内能量效率最大的最佳占空比为0.52，最佳周期为0.1s。

关键词：均衡电路;参数优化;占空比;周期;Simulink

中国分类号：TM912 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）06-0131-02

锂离子动力电池和镍氢动力电池是目前电动汽车中应用最为广泛的两种动力电池，由于安全问题和寿命问题，动力电池的技术发展进入了瓶颈期，这也成为新能源汽车产业发展进程中重要的制约因素^[1]。这两个问题产生的根本原因在于在实际应用中电池包中各节单体电池处于不同的健康状态。当电池组充电时，任意一节单体电池达到充电截止电压时，为防止过充，整个充电过程将会终止，而此时大部分电池尚未处于满电状态。同理，而当电池组向外界输出能量时，若任意一节单体电池达到放电截止电压则会终止整个放电过程。同时，假如动力电池的使用寿命问题无法解决，必将导致电池的更新率提高，进而影响动力电池乃至电动汽车的使用成本^[2]。

为了解决上述问题，电动汽车的电池管理系统（BMS）应运而生。它在电动汽车中起着实时监测与分析电池状态、保护电池安全、管理电池剩余电量与电池信息的作用^[3]，以确保电池在使用过程中的安全性，也可在一定程度上提高电池的充放电深度，从而实现电池能量利用的高效化。电池均衡控制系统作为BMS中能量控制管理的一部分，更是对动力电池组起着关键性作用^[4]。

基于以上分析，提出了一种改进的均衡电路参数优化方法来使得均衡系统效率达到最高，并通过仿真模型进行验证。

1改进电动汽车电池的优化方法

根据图1搭建均衡改进的均衡系统的仿真模型，对其进行在线寻优，得到占空比D与周期T的最佳值。其优化流程描述如图1所示。

图中，u_out（i，t）、i_out（i，t）分别指当前能量从系统输出到第i个电池的电压及电流;u_in（j，t）、i_in（j，t）分别指当前从第j个电池将能量输入到系统的电压及电流。

则根据效率最大化的原则，目标函数定义如下：同时，对D和T的范围进行约束，使其满足断续模式的要求。因此，优化问题可表示为如下所示的全局最优化问题：

经过二维在线寻优，即可得到当前最佳占空比及周期。

2参数优化仿真模型建立

2.1模型构成说明

完整的系统仿真模型应包括电池组状态模拟模块、均衡控制策略模块、均衡电路与状态监测模块、信号执行模块、保护电路模块。其中，电池组状态模拟模块用以模拟电池组所处的充电、放电或搁置三种不同的状态，均衡控制策略模块用以进行信号处理运算，信号执行模块进行均衡驱动，均衡电路模块进行均衡实施，保护电路模块需控制均衡变量在充放电时允许达到的极限值用以保护电池。

为完成本节参数优化仿真，可在SimPowerSystem中搭建用于公式验证与参数优化的简化模型，其中初、次级回路均以单节电池模型代替，通过设置其参数大小模拟电池数量。

2.2仿真元器件选取

模型的搭建需要对其中的元器件进行选择与参数设置，包括反激式转换器、电池、MOS管、电容器。这几种元器件均可在SimPowerSystem中找到，且其参数可调。

2.3模型搭建及参数设置

最终搭建的参数优化仿真模型如图2所示。

其中，将多绕组转换器简化为单绕组转换器，采用SimPowerSystem中含有的电池模型，以初级回路为6个单体电池串联的电池组为例，电池额定电压设置为22.2V，电阻设置为0.006V，而次级回路中的电池额定电压设置为3.7V，电阻设置为0.001V。在参数调试过程中，设置仿真时间为10s。

3仿真模型分析

3.1不同参数能量效率

对占空比和周期分别设置一定间隔进行仿真，将相对应的效率值输出到工作空间，最后得到图3所示三维效率曲面。

得到的最佳占空比D和最佳周期T分别为：D=0.5197，T=0.1s，此时能量效率最大值为0.8493。

3.2优化前后仿真对比

对六节电池六节串联电池样本中的SOC初始值分别设置为54%、56%、53%、50%、52%、35%。系统PWM占空比分别设置为优化前后的参数，以电池极差值作为均衡判据，输出六节串联电池的soc随运行时间变化的曲线如图4、图5所示，分别提取出优化前后均衡前后六节串连电池的SOC值如表1所示。3.3结果分析

1）从图4、图5可以看出，6号电池的SOC值呈上升趋势，其余电池的SOC值处于下降趋势，即均衡过程中整个电池组在对6号电池进行充电。对比六节电池样本初始值的设置，6号电池初始容量最低，仿真结果与设计预期情况相同。且电池电量变化均是单调平滑的。

2）从表1可以看出，均衡过程前，电池组中SOC极差值为21%;均衡结束时，优化前的电池组中SOC极差值约为6.7%，优化后的电池组中SOC极差值约为4.9%，对比优化前后的soc极差值，减小了1.8%，证明优化有效。

3）根据表1中的数据，计算出均衡过程前后样本SOC值的方差分别为58、4.8811、2.5451可见优化后电池组中SOC值的离散程度大大降低，电池组一致性得到改善，证明优化有效。

4结论

本文利用Simulink建模仿真平台，建立了改进的均衡系统模型，提出了一种改进的均衡电路参数优化方法来确保能量效率达到最大的情况下，对均衡电路中的重要参数包括PWM波的占空比和周期T进行优化并进行仿真分析，得到以下结论：

1）向均衡电路电池组输入能量时，得到的最佳占空比D和最佳周期T分别为：D=0.5197，T=0.1s，此时能量效率达到最大。 2）对电池处于搁置状态下进行仿真分析，得到在一定初始條件下，参数优化后比优化前电池组搁置均衡结束SOC极差值减小了1.8%，方差值下降2.336，证实了对系统优化的有效性。

参考文献

[1]夏辑.关于新能源汽车研发综述及建议[J].安徽科技，2009，1：26-29.

[2]徐伟.磷酸铁锂动力电池充电方法研究和均衡充电模块的设计[D].重庆大学硕士学位论文，2010.

[3]王静.动力锂离子电池组能量管理系统研究[D].哈尔滨工业大学硕士学位论文.

[4]郑杭波.新型电动汽车锂电池管理系统的研究与实现[D].清华大学硕士学位论文，2004.

[5]A Manenti，A. Abba，A. Merati，S. M. Savaresi， and A. Geraci. ANew BMS Architecture Based on Cell Redundancy[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics 2011，58（9）：4314-4322.

[6]薛定宇.基于MATLAB/Simulink的系统仿真技术与应用[M].第2版清华大学出版社，2011：271-294.