混合動(dòng)力車(chē)用電池均衡方案研究

1 引 言

發(fā)展清潔能源， 已經(jīng)成為世界各國應對金融危機和經(jīng)濟衰退的核心戰略之一。由于電動(dòng)汽車(chē)在使用中可實(shí)現零污染， 因此， 它是解決汽車(chē)污染和能源問(wèn)題的最有效途徑。混合動(dòng)力汽車(chē)由于融合了內燃機汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)， 近年來(lái)成為世界范圍內新型汽車(chē)開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。

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

2 均衡的意義

為了達到一定的電壓、功率和能量等級， 混合動(dòng)力車(chē)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(chē)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(xiàn)較平穩， 整個(gè)曲線(xiàn)并不成線(xiàn)性。但混合動(dòng)力車(chē)工作時(shí)， SOC 的范圍約在30% 至70% 之間， 圖中此范圍內的電壓與SOC基本成線(xiàn)性關(guān)系， 也就是說(shuō)在這個(gè)區間內電池電壓可以很好的反映電池SOC的值， 說(shuō)明通過(guò)電壓對電池均衡是混合動(dòng)力車(chē)較理想的均衡方式。

如何經(jīng)濟可靠的解決串聯(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(lèi)。

能耗型就是在每只單體電池兩端并聯(lián)一個(gè)可控電阻， 當電池電壓達到或超過(guò)限定值時(shí)， 電阻導通， 承擔一部分充電電流， 使流過(guò)電池內部的充電電流減小， 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(chēng)為能耗型。此種方式結構簡(jiǎn)單， 成本低。非能耗型電路的耗能比能耗型要小， 但電路結構相對復雜， 成本較高。結合本項目的應用環(huán)境， 考慮到混合動(dòng)力車(chē)用電池經(jīng)常處于不規則的充放電模式下， 并兼顧經(jīng)濟性及車(chē)內空間等問(wèn)題， 這里選用能耗型均衡。

3. 2 均衡電路的控制

均衡電路結構如圖1所示。

圖1 電阻放電均衡電路結構圖.

當均衡電路工作時(shí)， 電池監控IC將實(shí)時(shí)檢測各個(gè)單體電池電壓， 當單體電池不一致電壓達到一定值時(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?xún)龋?因此可以認為Iequ是近似恒定的， 并通過(guò)近似計算得到均衡時(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)， 電路的計算和控制較為簡(jiǎn)單， 不需要復雜的能量存儲和轉移過(guò)程， 且均衡時(shí)間容易掌握，具有實(shí)際應用價(jià)值。

4 均衡電路設計

對電池進(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。電路結構圖如圖2所示， 電池監控IC 采集各單體電池端電壓， 并實(shí)時(shí)向MCU 發(fā)送數據。上位機通過(guò)CAN 總線(xiàn)與監控IC通信， 將數據實(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 轉換器，微控制器和接口電路集成到一個(gè)芯片中， 對電池進(jìn)行溫度測量、溫度控制并與MCU 進(jìn)行數據通訊。

圖2 均衡電路硬件結構框圖。

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(cháng)， 達不到均衡要求， 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， 電阻值能否適當選取是均衡效果的關(guān)鍵。

( 2)均衡電壓閾值( a) 的設定。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， 若電壓閾值設的過(guò)大， 會(huì )導致均衡時(shí)間過(guò)短， 均衡效果不明顯， 達不到要求， 電壓閾值設的過(guò)小， 則均衡時(shí)間過(guò)長(cháng)， 不但白白消耗了能量， 且對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的充放電特征分析， 并結合混合動(dòng)力車(chē)的應用情況來(lái)設置均衡閾值。

( 3)均衡模塊的啟動(dòng)和關(guān)閉。在初始上電后，MCU 定時(shí)檢測電池組各單體電壓， 一旦超過(guò)閾值則對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， 則所有均衡回路的開(kāi)關(guān)管均斷開(kāi)， 均衡終止。

6 模擬工況測試

為了模擬電池均衡模塊在實(shí)際車(chē)輛運行時(shí)的效果， 采用如下測試工況， 并保持室溫在10℃ ~ 20℃之間。此工況測試分兩個(gè)測試程序， 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， 內阻3. 7Ω ， 12節串聯(lián)。

均衡前后電池充電曲線(xiàn)如圖3 所示， 均衡前電池充電曲線(xiàn)明顯不一致， 電池組壓差最大值約為200mV， 對應的容量差約為20% 。充電時(shí)高容量單體將先達到閾值電壓， 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)均衡測試后充電曲線(xiàn)圖， 可以看出各單體間基本恢復一致， 壓差不超過(guò)10mV， 充入容量擴大到8. 4Ah。并且經(jīng)過(guò)測量， 實(shí)驗過(guò)程中放電電阻溫度控制在60℃以?xún)龋?不會(huì )出現熱失控等安全問(wèn)題。

由上述實(shí)驗可以得到， 此均衡方法可在40小時(shí)內達到電池SOC 的平衡。并且電路工作穩定， 滿(mǎn)足混合動(dòng)力車(chē)輛行駛要求， 可以有效的防止電池不一致性的擴大， 實(shí)現了能量的合理配置。

圖3 均衡前后充電曲線(xiàn)對比。

7 結束語(yǔ)

在均衡模塊的硬件設計上充分考慮了測量的精確性， 系統的穩定性和抗干擾能力。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)均衡測試證明此電路工作穩定， 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， 對混合動(dòng)力車(chē)具有實(shí)用性。