1引言

隨著新能源汽車(chē)的不斷發(fā)展,鋰離子動(dòng)力電池得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,。由于材料,、制造工藝,、使用環(huán)境的差異,即使新電池配組時(shí)容量一致,動(dòng)力鋰電池組在使用過(guò)程中,串聯(lián)的各節(jié)之間也會(huì)出現(xiàn)各種差異,每節(jié)電池的荷電狀態(tài)也就是SOC高低不同,影響電池組的容量發(fā)揮,。如果不加處理,電池的各項(xiàng)性能會(huì)迅速惡化,加速電池的損壞,大大降低電池的使用壽命。均衡的需求如圖1所示,對(duì)于新電池,隨時(shí)檢查各個(gè)電池的SOC狀態(tài),防止出現(xiàn)差異分化,對(duì)于使用過(guò)一段時(shí)間的舊電池,縮小電池SOC之間的差異,。

圖1 均衡的技術(shù)需求

均衡的技術(shù)可以分為能量轉(zhuǎn)移技術(shù)和控制技術(shù)兩方面,針對(duì)電池的使用狀態(tài),可以分為放電均衡,、充電均衡和靜置均衡。

能量轉(zhuǎn)移技術(shù)可以分為能量消耗方式和能量利用方式,。文獻(xiàn)[1]中提出的方法就是能量消耗方式,在電池的正負(fù)極之間并聯(lián)接入一個(gè)電阻,控制電阻的放電,從而將電池電量多的電池SOC降低,最終滿足所有電池均衡的目的,。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用可靠,其缺點(diǎn)是能量完全損耗,且均衡電流產(chǎn)生的熱量需要慎重處理,以免溫升過(guò)高造成問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]是一種典型的能量利用方式,每個(gè)電池都接到同一個(gè)變壓器的不同線圈上,變壓器的磁儲(chǔ)能相當(dāng)于一個(gè)電池之間能量換乘站,這種方式可以把任意一個(gè)電池的電能轉(zhuǎn)化為變壓器的磁能,再變換為電能給任意一個(gè)選定的電池充電,。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以將電量高的電池中轉(zhuǎn)移出來(lái)的電能利用,主要電路體積和變壓時(shí)產(chǎn)生的脈沖問(wèn)題,。此外,也有電容作為中間儲(chǔ)能元件的做法,這類(lèi)方法的特征就是有一個(gè)中間儲(chǔ)能單元,這個(gè)中間儲(chǔ)能單元能夠把某個(gè)電池放出來(lái)的電再充給電池組或者某個(gè)電量少的電池,或者把整組電池的電放出來(lái)補(bǔ)充給某個(gè)電池。

圖2 從整組電池轉(zhuǎn)移能量給某個(gè)電量低單體的原理示意圖

均衡控制技術(shù)主要是決定均衡能量轉(zhuǎn)移的對(duì)象,對(duì)于能量消耗方式,主要決定哪個(gè)電池需要消耗能量,什么時(shí)候該開(kāi)始,什么時(shí)候該結(jié)束,。對(duì)于能量利用方式,需要決定哪個(gè)電池需要轉(zhuǎn)出能量,哪個(gè)電池需要轉(zhuǎn)入能量,什么時(shí)候該開(kāi)始什么時(shí)候該結(jié)束,。董博等人[3]從荷電狀態(tài)SOC估算入手,通過(guò)對(duì)單體電池SOC準(zhǔn)確估算,來(lái)作為均衡的判斷依據(jù),即最高單體的SOC與最低電池的SOC差異大于某個(gè)設(shè)定值后,均衡啟動(dòng),直到最高SOC的單體與最低SOC單體之間SOC差值少于某個(gè)設(shè)定值。韓江洪等[4]改進(jìn)了基于SOC的均衡控制策略,考慮了傾向于過(guò)充,、傾向于過(guò)放和整體容量一致三種情況,分別以不同的啟動(dòng)和終止條件來(lái)對(duì)電池進(jìn)行均衡,。這類(lèi)均衡策略最大的困惑在于SOC估算的困難,要實(shí)現(xiàn)有效能量轉(zhuǎn)移,就必須對(duì)能量轉(zhuǎn)入和轉(zhuǎn)出有正確的判斷,以免隨機(jī)盲目的轉(zhuǎn)移電能,而SOC的估算準(zhǔn)確度很難做到10%以內(nèi),即使做到10%以內(nèi),那么電池容量這么大的差異已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了使用者對(duì)電池不均衡的容忍度,也就是說(shuō),基于SOC估算的均衡效果無(wú)法使人滿意。文獻(xiàn)[6]則是將電壓完全一致作為控制依據(jù),當(dāng)單體最高電壓和最低電壓的差值大于某一設(shè)定值的時(shí)候,開(kāi)啟均衡,直到單體最高電壓和最低電壓的差值小于某一設(shè)定值,。這種方法原理上就存在缺憾,電壓大多數(shù)時(shí)候無(wú)法準(zhǔn)確的代表電量多少,這種控制策略會(huì)不停的盲目隨機(jī)的啟動(dòng)和停止均衡能量轉(zhuǎn)移,。

通常理解的充電是指插電充電,充電過(guò)程的特點(diǎn)是電池組的總電流或者總電壓穩(wěn)定,靜置過(guò)程的特點(diǎn)是用電電流為0或者穩(wěn)定的小電流,放電過(guò)程表現(xiàn)為工況電流,對(duì)于混合動(dòng)力,即使電能流向電池也算工況。文獻(xiàn)[6]分析了能量消耗方式和能量轉(zhuǎn)移方式在充電過(guò)程中的應(yīng)用,因?yàn)槌潆姷哪康氖敲總€(gè)電池達(dá)到SOC100%,并且SOC100%就是由充電滿來(lái)定義,因此充電均衡是可以實(shí)現(xiàn)的,。均衡充電的理想是根據(jù)電池單體的不同狀態(tài)來(lái)調(diào)整每個(gè)電池單體的最佳充電電流,使所有單體的充電曲線達(dá)到類(lèi)似并聯(lián)充電的效果,。靜置過(guò)程中的均衡,文獻(xiàn)中按照充電過(guò)程來(lái)進(jìn)行均衡[7],。 放電過(guò)程的均衡,是均衡的難點(diǎn),由于電流較大,一般采用能量轉(zhuǎn)移方式,。

圖3 均衡充電原理示意圖

    2均衡設(shè)計(jì)原理

均衡,最理想的狀態(tài)是等同于并聯(lián)使用。但是這要求SOC測(cè)試的高精度和均衡電流的不受限制,這在實(shí)際中是做不到的,因此,均衡退而追求可用容量的最大化,。由于能量消耗方式不能增加任何一節(jié)電池的可用電量,因此電池組最大可能的可用容量不超過(guò)容量最小的單體,。而能量轉(zhuǎn)移式均衡,在充放電過(guò)程中,由于SOC測(cè)試的困難,一般充放電過(guò)程中,只有單體充滿電100%SOC和單體放完電0%是可以測(cè)準(zhǔn)的,中間測(cè)試SOC的誤差往往大于10%,電池組中容量大于10%已經(jīng)劣化非常嚴(yán)重了,應(yīng)該早在此之前就開(kāi)始均衡,所以主動(dòng)均衡能夠使正常健康的電池組發(fā)揮的容量也很難超過(guò)電池組中容量最小的單體。即使采用電壓相等的均衡控制策略,由于充放電過(guò)程中端電壓與SOC的對(duì)應(yīng)誤差也超過(guò)10%,這實(shí)際跟并聯(lián)使用的均衡目標(biāo)類(lèi)似,需要電池測(cè)試的高精度和均衡電流的不受限制,。電壓測(cè)試高精度做得到,均衡電流不受限制做不到,。

從以上分析得知,整組電池的可用容量基本不會(huì)超過(guò)電池組中容量最小的單體。這個(gè)目標(biāo)只要讓每個(gè)單體充電充滿到100%,然后由于放電時(shí)電流一樣,容量最小的最先放完電,整組電池表現(xiàn)的可用容量就等于容量最小單體的容量。所以,均衡的目標(biāo)可以簡(jiǎn)化為滿電均衡,。靜置過(guò)程中,靜置時(shí)間足夠長(zhǎng)后,由于端電壓OVC可以準(zhǔn)確的指示電池單體SOC,這時(shí)候可以將均衡策略定為每個(gè)電池的100%SOC的電量與當(dāng)前SOC電量的差值相同,這樣只要充電,就保證每個(gè)電池同時(shí)充滿,只要放電,就保證容量最小的單體最先放光,達(dá)到電池組可用容量的最大化,。

圖4 均衡目標(biāo)示意圖

以上考慮的是每個(gè)單次循環(huán)中如何均衡,如果考慮到連續(xù)多個(gè)循環(huán)中的均衡,那就可以考慮導(dǎo)致電池需要均衡的原因。通常認(rèn)為電池不均衡的來(lái)源有三個(gè),一個(gè)是電池單體的自放電率不一樣,本來(lái)可以同時(shí)充滿電的,同時(shí)充滿電后,靜置,由于自放電率的不同,每個(gè)單體滿電電量和當(dāng)前可用電量的差值也變得不同,。由于不管是充電,、放電還是靜置,自放電一直在進(jìn)行,因而自放電率的差異導(dǎo)致的均衡要求是隨時(shí)間增加的。為了抵銷(xiāo)這部分影響,可以并聯(lián)一個(gè)小電阻,使得每個(gè)單體的等效自放電率接近,降低自放電率引起的電量差增加速度,。由于自放電率可以測(cè)定,因而這個(gè)是可以實(shí)施的,。不均衡的另一個(gè)來(lái)源是每個(gè)電池單體的劣化進(jìn)度不一樣,這樣等于每個(gè)單體的滿電電量到當(dāng)前SOC電量上部的電量容量變化時(shí)不一樣的,這種差異積累到一定程度就需要均衡。還有一個(gè)來(lái)源是電池的使用環(huán)境和條件不一樣,電池單體每次表現(xiàn)的也不一樣,當(dāng)一次均衡過(guò)后,某次的表現(xiàn)容量使得單體之間差異大到需要啟動(dòng)均衡,。當(dāng)然這三種影響因素是疊加的,只要疊加的差異大到需要均衡,就得啟動(dòng)均衡,。

3均衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1初始設(shè)計(jì)

初始的電池組經(jīng)過(guò)配組后,可以認(rèn)為每個(gè)單體的容量是相等的,也是同時(shí)充滿了電的,單體的劣化差異和環(huán)境差異無(wú)法知道,這時(shí)候只需要考慮到自放電的差異,根據(jù)單體測(cè)得的自放電率,利用并聯(lián)電阻給每個(gè)單體一個(gè)旁通電流,使每個(gè)電池單體的自放電率與旁通電流之和相等。

3.2 充電均衡

充電均衡主要均衡掉容量劣化差異和環(huán)境影響差異,加上自放電率差異補(bǔ)償?shù)恼`差,。由于電池要幾千個(gè)循環(huán)才會(huì)劣化20%,比如1000,最極端的是一個(gè)單體劣化了20%,而另一個(gè)卻每個(gè)劣化,。這樣每個(gè)單體正常的情況下,每個(gè)循環(huán)的劣化差異不能超過(guò)萬(wàn)分之二,按300安時(shí)的電池組來(lái)算,每個(gè)循環(huán)的劣化差異不超過(guò)60mAh。這么小的差異,完全可以在充電的過(guò)程中,甚至在整組電池充滿后,以幾十毫安的電流進(jìn)行耗能均衡消除,。

3.3 靜置均衡

靜置足夠長(zhǎng)的時(shí)間后,電池單體的開(kāi)路電壓可以代表SOC,電池環(huán)境趨向于一致,這時(shí)候可以評(píng)估每個(gè)電池滿電電量與當(dāng)前SOC電量的差值,。如果預(yù)計(jì)不同電芯之間的差異在下次充電時(shí)需要做充電均衡,則當(dāng)前靜置狀態(tài)采用小于10毫安的電流進(jìn)行均衡,直到看不到充電均衡的預(yù)期。

3.4 放電均衡

由于放電過(guò)程中SOC測(cè)試不準(zhǔn),且大電流均衡電路復(fù)雜,、成本高,、可靠性差,放電過(guò)程不做均衡。

3.5 維護(hù)均衡

如果上述設(shè)計(jì)的自動(dòng)均衡中,存在考慮不周的原因,而導(dǎo)致電池組的可用容量無(wú)法自動(dòng)恢復(fù)到最小單體容量的水平,則采用維護(hù)均衡,維護(hù)均衡使用均充設(shè)備,均充設(shè)備的原理與圖3相似,保證每個(gè)電池單體充滿,。

4結(jié)果與結(jié)論

采用上述設(shè)計(jì)的均衡管理系統(tǒng),自2015年8月開(kāi)始在某6米和8米樣車(chē)上運(yùn)行至今,還沒(méi)有出現(xiàn)維護(hù)均衡的需要,沒(méi)有接到客戶行駛里程即可用容量異常的報(bào)告,可見(jiàn)3.1~3.4的設(shè)計(jì)足夠保持均衡目標(biāo)的實(shí)現(xiàn),。

均衡是一個(gè)電池管理系統(tǒng)BMS研究的熱點(diǎn),通常把能量消耗式稱為被動(dòng)均衡,而把能量轉(zhuǎn)移式稱為主動(dòng)式均衡,根據(jù)我們的研究與觀察,電動(dòng)大巴使用微小電流做能量消耗式均衡性比較和安全可靠性更好。主動(dòng)均衡暫時(shí)看不到應(yīng)用的價(jià)值,隨著技術(shù)的進(jìn)步,或許可以進(jìn)行主動(dòng)均衡的應(yīng)用研究,。（來(lái)源：電動(dòng)汽車(chē)資源網(wǎng) 王世強(qiáng),，李浩晨）

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