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锂电池充放电均衡一体化的电池管理系统解决方法

日期 2022-07-29 09:38:59 来源:银杉电池(山东)有限公司

随着电池技术的发展,锂离子动力锂电池以其能量密度高、功率特性好、寿命长等方面的良好性能成为新一代电动汽车的理想动力源。为了满足电动汽车的能量和功率需求,往往是由单体电池通过串并联形成动力锂电池组供车辆使用。由于电池性能不一致的问题,使得成组电池在利用率、使用寿命、安全性等方面的性能远不及单体电池。具有高效均衡管理功能的电池管理系统能够大幅提高动力锂电池组的整体性能、有效的延长电池组的使用寿命、大大降低整车的使用和维护成本。为安全、高效、实用的电动汽车的推广供应技术保障。

 

目前,电池管理系统在电池在线监测、状态评估、充电管理、数据通信、控制策略等方面都取得了一定进步,但电池组高效均衡技术方面的研究还处于起步阶段。均衡技术研究分为均衡控制策略和均衡电路拓扑设计及硬件实现方式两个方面。实际应用的在线均衡策略以电池外电压作为控制对象,由于外电压不能有效的反应电池的实际内在差异,所以均衡效率和效果均不理想;在硬件方面重要采用电阻旁路放电均衡,均衡电流受到发热量的限制而很难提高。

 

电池组一致性及均衡策略

 

电池组的一致性问题是指在电池组内串联单体电池之间在容量、内阻、SOC等方面的差异性,这直接决定了整组电池的使用性能,从而影响到电动汽车的动力性和续航里程。造成电池不一致的重要原因包括:生产过程出现的不一致,电池生产工艺及材质的差异性,造成电池之间在初始容量、直流内阻、自放电现象和充放电效率等性能方面存在差异;电池初始性能参数的差异在使用过程中形成累积;电池初始性能参数的一致性问题在使用过程中被放大;电池使用环境的差异对电池组一致性问题存在较大影响。

 

由于电池的不一致性来自于电池内阻、容量和SOC,而传统一致性评价方法和均衡方式以外电压一致性作为控制目标,并没有有效地提高电池组的可用容量,所以也不能改善电池组一致性问题对成组电池使用造成的不良影响。

 

由于直流内阻、极化电压、最大可用容量为电池的特定参数,在一次或持续的几次充放电过程中基本不发生变化,所以电池组的均衡重要通过调整各单体电池的SOC来实现。经研究,以SOC作为均衡的参考对象,均衡对象相对固定,充分利用均衡时间,提高均衡利用率来降低均衡电流容量。

 

图1均衡策略软件流程

 

以电池的SOC为控制对象,通过对单体电池充放电的方式来缩小电池之间SOC的差别。首先要确定均衡目标,通常为了提高均衡的效率以及充分发挥充放电均衡的优势,将该目标设定为电池组的平均荷电状态值(SOC)。并同样设置均衡控制带(dSOC)来防止均衡的波动,有关SOC偏高的单体进行放电均衡,反之则进行充电均衡。然后可以利用各只电池SOC之间的差值(ASOC)以及额定容量计算出每节电池所需的均衡容量,通过计量容量的方式来完成均衡。该均衡策略判断流程如图1所示。基于SOC的均衡策略不仅能够实现提高电池组容量利用率的目的,同时还解决了一致性问题对电池组状态识别影响的问题。由于均衡过后各电池的SOC趋于一致,所以电池组的SOC就等于容量最差单体电池的SOC,通过这种方式来修正SOC,可以大大降低电池组SOC的估算复杂程度。

 

均衡一体化管理系统

 

电池管理系统重要由单体电池电压检测模块、均衡模块、电池温度检测模块、电流检测模块、CAN通信接口、MCU及其他外围电路单元组成,分别完成电池组单体电压检测、均衡管理、温度采集、电流采集、CAN通信等功能。电池管理系统通过对采集到的电池电压、温度及电流数据进行实时在线分析,以评价电池组当前的工作状态,并通过CAN总线告知整车、充电机或其他控制器,实现优化驾驶和充电管理,并在充电阶段根据均衡算法对电池组进行充放电在线均衡。

 

充放电均衡模块重要由充电和放电2个均衡模块组成(如图2)。充电均衡电路是通过变换器将整组电池的能量转移到单体电池,采用多级变换结构,利用可控开关将SOC较低的单体电池连接至充电均衡电路实行充电均衡。为了能够对均衡的容量进行计量,充电均衡变换器工作在恒定电流模式。放电均衡电路将SOC高的电池能量通过转移或消耗的方式实现SOC调整。

 

基于SOC的均衡策略是通过减小电池之间的SOC差异来实现电池组均衡,从而提高电池组容量利用率。

 

本文针对当前电池管理系统在电池在线均衡存在的技术瓶颈,提出了基于SOC的电池均衡控制策略及充放电均衡一体化的电池管理系统解决方法,该方法能有效的改善电池组一致性,提高电池组容量利用率,提高电池组整体性能。今后的研究可以对电池的均衡控制带的大小进行优化,在电池控制带缩小和电池均衡波动性之间的关系做细化研究,实现参数的优化选择,进一步提升均衡性能。

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