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    鋰電池充放電均衡一體化的電池管理系統解決方法
    132 2022-07-28
        隨著電池技術的發展,鋰離子動力鋰電池以其能量密度高、功率特性好、壽命長等方面的良好性能成為新一代電動汽車的理想動力源。為了滿足電動汽車的能量和功率需求,往往是由單體電池通過串并聯形成動力鋰電池組供車輛使用。由于電池性能不一致的問題,使得成組電池在利用率、使用壽命、安全性等方面的性能遠不及單體電池。具有高效均衡管理功能的電池管理系統能夠大幅提高動力鋰電池組的整體性能、有效的延長電池組的使用壽命、大大降低整車的使用和維護成本。為安全、高效、實用的電動汽車的推廣供應技術保障。
        目前,電池管理系統在電池在線監測、狀態評估、充電管理、數據通信、控制策略等方面都取得了一定進步,但電池組高效均衡技術方面的研究還處于起步階段。均衡技術研究分為均衡控制策略和均衡電路拓撲設計及硬件實現方式兩個方面。實際應用的在線均衡策略以電池外電壓作為控制對象,由于外電壓不能有效的反應電池的實際內在差異,所以均衡效率和效果均不理想;在硬件方面主要采用電阻旁路放電均衡,均衡電流受到發熱量的限制而很難提高。
    電池組一致性及均衡策略:
        電池組的一致性問題是指在電池組內串聯單體電池之間在容量、內阻、SOC等方面的差異性,這直接決定了整組電池的使用性能,從而影響到電動汽車的動力性和續航里程。
        造成電池不一致的重要原因包括:生產過程出現的不一致,電池生產工藝及材質的差異性,造成電池之間在初始容量、直流內阻、自放電現象和充放電效率等性能方面存在差異;電池初始性能參數的差異在使用過程中形成累積;電池初始性能參數的一致性問題在使用過程中被放大;電池使用環境的差異對電池組一致性問題存在較大影響。
        由于電池的不一致性來自于電池內阻、容量和SOC,而傳統一致性評價方法和均衡方式以外電壓一致性作為控制目標,并沒有有效地提高電池組的可用容量,所以也不能改善電池組一致性問題對成組電池使用造成的不良影響。
        由于直流內阻、極化電壓、最大可用容量為電池的特定參數,在一次或持續的幾次充放電過程中基本不發生變化,所以電池組的均衡主要通過調整各單體電池的SOC來實現。經研究,以SOC作為均衡的參考對象,均衡對象相對固定,充分利用均衡時間,提高均衡利用率來降低均衡電流容量。
        以電池的SOC為控制對象,通過對單體電池充放電的方式來縮小電池之間SOC的差別。首先要確定均衡目標,通常為了提高均衡的效率以及充分發揮充放電均衡的優勢,將該目標設定為電池組的平均荷電狀態值(SOC)。并同樣設置均衡控制帶(dSOC)來防止均衡的波動,有關SOC偏高的單體進行放電均衡,反之則進行充電均衡。然后可以利用各只電池SOC之間的差值(ASOC)以及額定容量計算出每節電池所需的均衡容量,通過計量容量的方式來完成均衡。該均衡策略判斷流程如圖1所示?;赟OC的均衡策略不僅能夠實現提高電池組容量利用率的目的,同時還解決了一致性問題對電池組狀態識別影響的問題。由于均衡過后各電池的SOC趨于一致,所以電池組的SOC就等于容量最差單體電池的SOC,通過這種方式來修正SOC,可以大大降低電池組SOC的估算復雜程度。
    電池組一致性及均衡策略:
        電池管理系統主要由單體電池電壓檢測模塊、均衡模塊、電池溫度檢測模塊、電流檢測模塊、CAN通信接口、MCU及其他外圍電路單元組成,分別完成電池組單體電壓檢測、均衡管理、溫度采集、電流采集、CAN通信等功能。電池管理系統通過對采集到的電池電壓、溫度及電流數據進行實時在線分析,以評價電池組當前的工作狀態,并通過CAN總線告知整車、充電機或其他控制器,實現優化駕駛和充電管理,并在充電階段根據均衡算法對電池組進行充放電在線均衡。
        充電均衡電路是通過變換器將整組電池的能量轉移到單體電池,采用多級變換結構,利用可控開關將SOC較低的單體電池連接至充電均衡電路實行充電均衡。為了能夠對均衡的容量進行計量,充電均衡變換器工作在恒定電流模式。放電均衡電路將SOC高的電池能量通過轉移或消耗的方式實現SOC調整。
        基于SOC的均衡策略是通過減小電池之間的SOC差異來實現電池組均衡,從而提高電池組容量利用率。
        本文針對當前電池管理系統在電池在線均衡存在的技術瓶頸,提出了基于SOC的電池均衡控制策略及充放電均衡一體化的電池管理系統解決方法,該方法能有效的改善電池組一致性,提高電池組容量利用率,提高電池組整體性能。今后的研究可以對電池的均衡控制帶的大小進行優化,在電池控制帶縮小和電池均衡波動性之間的關系做細化研究,實現參數的優化選擇,進一步提升均衡性能。

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