混合動(dòng)力車用電池均衡方案研究

1 引 言

發(fā)展清潔能源， 已經(jīng)成為世界各國(guó)應(yīng)對(duì)金融危機(jī)和經(jīng)濟(jì)衰退的核心戰(zhàn)略之一。由于電動(dòng)汽車在使用中可實(shí)現(xiàn)零污染， 因此， 它是解決汽車污染和能源問(wèn)題的最有效途徑。混合動(dòng)力汽車由于融合了內(nèi)燃機(jī)汽車和電動(dòng)汽車的優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)成為世界范圍內(nèi)新型汽車開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

鋰離子電池以其優(yōu)良的性能被認(rèn)為是電動(dòng)汽車的理想能源。但混合動(dòng)力汽車的行駛工況復(fù)雜多變， 電池的充放電頻繁且極其不規(guī)則， 這將使電池壽命受到嚴(yán)重影響。因此， 提出有效的電池控制和管理方法， 延長(zhǎng)電池的使用壽命， 成為混合動(dòng)力車研究和開(kāi)發(fā)的重要課題之一。

2 均衡的意義

為了達(dá)到一定的電壓、功率和能量等級(jí)， 混合動(dòng)力車用電池需要串聯(lián)成組使用。各單體電池在制造、初始容量、電壓、內(nèi)阻以及溫度等方面均不完全相同， 在使用過(guò)程中， 電荷量低的電池會(huì)過(guò)早的達(dá)到限制電壓， 容易造成過(guò)充電或者過(guò)放電， 而且即便是很小的差異， 在經(jīng)過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后， 都會(huì)變成不可忽視的差異。再者， 鋰電池的抗濫用能力較差， 加之應(yīng)用技術(shù)還不完善， 使鋰電池濫用幾率大大增加，以致影響整組電池的循環(huán)壽命。因此在混合動(dòng)力車工作過(guò)程中， 電池間的一致性是決定電池壽命的一個(gè)非常重要的因素， 為減小這種不一致性對(duì)鋰離子電池組的影響， 在電池組的充放電過(guò)程中， 增加了均衡電路。

3 均衡控制原理

3. 1 均衡方式的選擇

電池的均衡過(guò)程實(shí)際上是電池荷電狀態(tài)( SOC )的均衡。對(duì)于鋰電池來(lái)講， 電池在SOC 高端和低端時(shí)電壓變化較快， 在中間部分的曲線較平穩(wěn)， 整個(gè)曲線并不成線性。但混合動(dòng)力車工作時(shí)， SOC 的范圍約在30% 至70% 之間， 圖中此范圍內(nèi)的電壓與SOC基本成線性關(guān)系， 也就是說(shuō)在這個(gè)區(qū)間內(nèi)電池電壓可以很好的反映電池SOC的值， 說(shuō)明通過(guò)電壓對(duì)電池均衡是混合動(dòng)力車較理想的均衡方式。

如何經(jīng)濟(jì)可靠的解決串聯(lián)電池組電壓均衡的問(wèn)題， 理論上的均衡方法很多。目前的均衡控制電路按能量的消耗情況分為能耗型和非能耗型兩大類。

能耗型就是在每只單體電池兩端并聯(lián)一個(gè)可控電阻， 當(dāng)電池電壓達(dá)到或超過(guò)限定值時(shí)， 電阻導(dǎo)通， 承擔(dān)一部分充電電流， 使流過(guò)電池內(nèi)部的充電電流減小， 從而維持限制電壓。流過(guò)電阻的電能以熱的形式釋放， 故稱為能耗型。此種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 成本低。非能耗型電路的耗能比能耗型要小， 但電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜， 成本較高。結(jié)合本項(xiàng)目的應(yīng)用環(huán)境， 考慮到混合動(dòng)力車用電池經(jīng)常處于不規(guī)則的充放電模式下， 并兼顧經(jīng)濟(jì)性及車內(nèi)空間等問(wèn)題， 這里選用能耗型均衡。

3. 2 均衡電路的控制

均衡電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電阻放電均衡電路結(jié)構(gòu)圖.

當(dāng)均衡電路工作時(shí)， 電池監(jiān)控IC將實(shí)時(shí)檢測(cè)各個(gè)單體電池電壓， 當(dāng)單體電池不一致電壓達(dá)到一定值時(shí)， 通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管S 1， S 2， ， Sn， 來(lái)控制所需要的均衡容量。均衡容量與均衡時(shí)間和均衡電流有如下關(guān)系:

C 為均衡容量， Ie qu為均衡電流， t為均衡時(shí)間，其中Iequ =Ud/R， Ud 為單體電壓值， R 為放電電阻。

通過(guò)電阻R 把單體電池中的充電電流進(jìn)行分流， 電壓較高的電池通過(guò)電阻R 耗能向電壓較低的電池靠攏。在均衡過(guò)程中， 均衡電流Iequ并不是恒定的值， 它將隨電池端電壓的下降而減小。但由于均衡電流較小， 一般在100mA 以內(nèi)， 因此可以認(rèn)為Iequ是近似恒定的， 并通過(guò)近似計(jì)算得到均衡時(shí)間。例如， 一塊電池需要均衡的容量為0. 4Ah， 均衡放電電阻100Ω， Ud 為4V， 那么均衡時(shí)間:

由此可見(jiàn)， 電路的計(jì)算和控制較為簡(jiǎn)單， 不需要復(fù)雜的能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移過(guò)程， 且均衡時(shí)間容易掌握，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

4 均衡電路設(shè)計(jì)

對(duì)電池進(jìn)行均衡控制的硬件組成主要有MCU控制單元， 電池監(jiān)控IC， 均衡電路， 以及電源電路，溫度模塊， 風(fēng)扇控制電路等。電路結(jié)構(gòu)圖如圖2所示， 電池監(jiān)控IC 采集各單體電池端電壓， 并實(shí)時(shí)向MCU 發(fā)送數(shù)據(jù)。上位機(jī)通過(guò)CAN 總線與監(jiān)控IC通信， 將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示。溫度模塊采用智能化溫度傳感器， 它把溫度傳感器， 外圍電路， A /D 轉(zhuǎn)換器，微控制器和接口電路集成到一個(gè)芯片中， 對(duì)電池進(jìn)行溫度測(cè)量、溫度控制并與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。

圖2 均衡電路硬件結(jié)構(gòu)框圖。

5 均衡控制策略的制定

通過(guò)平衡電壓來(lái)平衡容量的均衡方法在控制時(shí)應(yīng)兼顧以下幾點(diǎn):

( 1)均衡放電電阻R 的選取。均衡電路工作時(shí)， 能量高的電池會(huì)通過(guò)放電電阻以熱能的形式釋放掉， 如果此時(shí)電阻溫度過(guò)高， 可能會(huì)造成電路熱失控， 存在安全隱患， 因此， 電阻的值不能過(guò)小; 另一方面， 均衡電流直接決定了均衡時(shí)間， 如果均衡電流過(guò)小， 會(huì)使均衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 達(dá)不到均衡要求， 而均衡電流的大小是由放電電阻決定的， 電阻值越大均衡電流越小， 因此， 電阻值又不能過(guò)大。綜上， 電阻值能否適當(dāng)選取是均衡效果的關(guān)鍵。

( 2)均衡電壓閾值( a) 的設(shè)定。電壓閾值的大小直接決定了均衡電路啟動(dòng)及關(guān)閉的時(shí)刻， 若電壓閾值設(shè)的過(guò)大， 會(huì)導(dǎo)致均衡時(shí)間過(guò)短， 均衡效果不明顯， 達(dá)不到要求， 電壓閾值設(shè)的過(guò)小， 則均衡時(shí)間過(guò)長(zhǎng)， 不但白白消耗了能量， 且對(duì)電池組各電池有害無(wú)益。因此， 需要從電池容量不一致所表現(xiàn)的充放電特征分析， 并結(jié)合混合動(dòng)力車的應(yīng)用情況來(lái)設(shè)置均衡閾值。

( 3)均衡模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉。在初始上電后，MCU 定時(shí)檢測(cè)電池組各單體電壓， 一旦超過(guò)閾值則對(duì)需要均衡的單體閉合開(kāi)關(guān)， 進(jìn)行放電， 其余單體的開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。之后MCU 會(huì)定時(shí)判斷單體電壓， 重新判斷是否符合均衡條件。如果單體的電壓一致性回到閾值內(nèi)， 則所有均衡回路的開(kāi)關(guān)管均斷開(kāi)， 均衡終止。

6 模擬工況測(cè)試

為了模擬電池均衡模塊在實(shí)際車輛運(yùn)行時(shí)的效果， 采用如下測(cè)試工況， 并保持室溫在10℃ ~ 20℃之間。此工況測(cè)試分兩個(gè)測(cè)試程序， 一個(gè)是#主放電工況”， 其放電量略多于充電量; 另一個(gè)是“主充電工況”， 其充電量略多于放電量， 并確定SOC 波動(dòng)范圍在30% 至80% 之間。

實(shí)驗(yàn)用電池為錳酸鋰電池( LMi nO4 ) ， 實(shí)際容量8. 6Ah， 額定電壓3. 6V， 內(nèi)阻3. 7Ω ， 12節(jié)串聯(lián)。

均衡前后電池充電曲線如圖3 所示， 均衡前電池充電曲線明顯不一致， 電池組壓差最大值約為200mV， 對(duì)應(yīng)的容量差約為20% 。充電時(shí)高容量單體將先達(dá)到閾值電壓， 使電池的充入容量明顯降低，僅為7Ah， 大大降低了電池的利用率。( b) 圖為經(jīng)過(guò)35小時(shí)均衡測(cè)試后充電曲線圖， 可以看出各單體間基本恢復(fù)一致， 壓差不超過(guò)10mV， 充入容量擴(kuò)大到8. 4Ah。并且經(jīng)過(guò)測(cè)量， 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中放電電阻溫度控制在60℃以內(nèi)， 不會(huì)出現(xiàn)熱失控等安全問(wèn)題。

由上述實(shí)驗(yàn)可以得到， 此均衡方法可在40小時(shí)內(nèi)達(dá)到電池SOC 的平衡。并且電路工作穩(wěn)定， 滿足混合動(dòng)力車輛行駛要求， 可以有效的防止電池不一致性的擴(kuò)大， 實(shí)現(xiàn)了能量的合理配置。

圖3 均衡前后充電曲線對(duì)比。

7 結(jié)束語(yǔ)

在均衡模塊的硬件設(shè)計(jì)上充分考慮了測(cè)量的精確性， 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。在制定均衡策略過(guò)程中兼顧了放電電阻的選擇、均衡閾值的選定、均衡的啟動(dòng)和停止等方面。經(jīng)均衡測(cè)試證明此電路工作穩(wěn)定， 可以有效的解決電池不均衡的問(wèn)題， 提高了整組電池的使用效率， 對(duì)混合動(dòng)力車具有實(shí)用性。