减少传感器数量的CAT蓄电池电源模块系统的主动平衡策略

基于电池电源模块（BPM）的架构吸引了更多关注。BPM由低功耗直流转换器和电池单元组成。BPM串联并联连接，以满足所需的输出电压和电流。能量共享（ES）控制通常用于基于BPM的架构，以实现电池的电荷状态（SoC）均衡和负载电压调节。在ES控制中，BPM的转换器被控制以根据电池的SoCs调整每个电池的充放电速率。但应使用大量电压和电流传感器。这提高了成本并扩大了所需的覆盖面积。为减少传感器数量，本研究提出了基于估计器的能量共享控制器（称为EES），传感器数量减少。在拟议的EES中只需一个电流传感器。此外，电压传感器数量仅为传统ES系统所需传感器数量的一半。这降低了整体成本和实施复杂度。图示了EES控制器在放电和充电模式下的工作原理。此外，其运行通过模拟和实验结果得到验证。对比研究旨在展示该系统相较于其他报告控制系统的优势。

简介

锂离子（Li-Ion）电池近年来因在智能电网、笔记本电脑、航空航天电池系统和电动汽车（EV）等多种应用中受到更多关注。其具备高能量密度、低自放电率、高充电速率、长放电周期和长设计寿命的能力，是实现广泛应用的原因[[1]， [2]， [3]]。能量管理系统通常用于电池系统，以确保安全可靠的运行[4,5]。电池通常通过电力电子转换器连接，以调节其充放电速率[[6]， [7]， [8]]。锂离子电池通常串联并联连接，以满足负载所需的电压和电流。串联电池的SoC值通常会相互分歧[1,6]。这种差异可能是由于电池容量的差异、生产过程中发生的差异和/或电池单元储存条件的不同所致。虽然这些差异起初可能很小，但在手术过程中可以逐渐增加。因此，电池单元可能会遭受过放电或充电。这反过来可能导致电池老化和过热。在最坏的情况下，这可能导致起火[9]。为避免这些问题，设计电池管理系统（BMS）时必须采用SoC的平衡方法[1,9,10]。
此前已有多种SoC平衡技术被报道[[11]， [12]， [13]]。一般来说，这些方法分为两类：被动平衡法和主动平衡法。在被动平衡中，SoC最高的单元能量通过并联电阻被耗散。可用于此目的，可以使用固定、开关和模拟类型的并联电阻[1,13]。虽然被动平衡方法简单，但它们会显著降低效率。此外，通过并联电阻消耗的功率会提高温度。这增加了冷却效果的挑战，尤其是在空间有限的情况下[5,13]。
在主动平衡方法中，SoC平衡是通过切换电路来控制从电池单元传递到电池单元的能量量来实现的。主动平衡方法可分为能量再分配（ER）方法和能量共享（ES）方法[6,13]。在ER方法中，采用低功率电路在串联电池之间传递能量。主要使用三种类型的ER电路。这些类型包括：1）相邻的电池间（A-C2C）电路，仅允许两个相邻电池间的能量传输;2）直接电池到电池（DC2C）电路，允许串中任意两个电池之间进行能量传输;3）电池到电池组（C2P）电路，能量可以在电池与整串电池之间实现[13]。ER方法面临以下挑战：

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  ER方法需要额外的低功耗电路来在电池单元间传递能量。这些电路由有源开关、变压器和/或共享存储元件组成[11]。这增加了体积和成本，尤其是对于拥有大量串联电池的电池串。
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  实现SoC平衡所需的时间主要取决于平衡电路之间可传输的最大平衡电流。该最大平衡电流取决于ER电路元件（有源开关和无源存储元件）的额定值。因此，需要体积大且成本高的电路以实现快速平衡。

另一方面，ES平衡方法依赖于改变电池单元的充放电速率[[14]、[15]、[16]、[17]、[18]]。因此，高SoC的电池充放电速率低于其他SoC低的电池。因此，平衡通过主电源电路实现，无需电池间额外的低功耗电路。ES平衡的简单配置是通过将每个电池单元通过双开关电路连接实现的。因此，任何电池都可以旁路（电池电流为零），也可以串联成电池串联（电池电流等于串电流）。然而，在此配置下应采用冗余电池，以确保即使部分电池单元被旁路，也能保持所需的输出电压。
在ES平衡解决方案中，基于BPM架构的兴趣日益增长[[16]， [17]， [18]]。图1（a）展示了这种建筑结构。电池单元单独集成双向直流变流器以实现BPM。为了满足电流和电压需求，BPM随后串联和并联连接。因此，每个电池单元可以实现独立的充放电操作。除了对电池单元进行SoC平衡外，该架构的控制系统还可以调节负载电压。这些控制功能（SoC平衡和负载电压调节）通过控制BPM电池的充放电速率同时实现。
在[16,17]中，BPM架构采用同步降压DC-DC转换器设计，并通过库仑计数（CC）算法估算电池的SoCs得到验证。结果显示该系统在充放电条件下表现良好。不过，传感器数量较多。这增加了成本、复杂性和整体覆盖面积。为减少传感器数量，本文提出一种基于估计器的控制系统，仅测量BPM的输出电压和输出电流，以实现SoC平衡和输出电压控制。本文的主要贡献可总结如下：

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  介绍BPM架构及拟议的EES控制器。
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  通过模拟和实验装置验证拟议EES控制的BPM性能。
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  引入与电池系统中其他控制方法的比较研究，以反映所提系统的特性。