雙向分散式動力電池均衡管理實驗研究

邊 疆

(開封大學 電子電氣工程學院, 河南 開封 475000)

為了提高電動汽車能源系統的實際可用容量及重復使用次數,應保證組成動力電池組單體能量的一致性[1]。多模組動力電池作為主要動力源的純電動汽車,電池模組之間的不一致性問題會導致動力電池荷電狀態(SOC)估算精度下降、行駛里程下降等問題。雖然有相應的充放電策略來保護動力電池,但是在復雜的城市路況下,汽車要不斷地啟停,僅僅依靠充放電策略來保護動力電池還遠遠不夠。因此,通過電池均衡電路來解決電池不一致性問題效果會更好。均衡的目的就是在保證電池組壽命的前提下使整個電池組存儲最多的電能[2]。對于解決電池一致性的問題,國內外研究人員都對其進行了大量的研究,投入了大量的精力,取得了很多研究成果。Mohamed Daowd等[3]研究團隊以驗證電池組不一致性為目的,選取SOC作為均衡變量,構建了電池均衡系統模型；Mankus Einhorn等[4]在電池循環充放電實驗過程中,驗證了以SOC為均衡判別因子的均衡管理方法,并設計了相關的均衡電路；Georege Altemose等[5]研究團隊以均衡拓撲結構為研究對象,實現電池的能量雙向流動；文獻[6]利用電壓變換器和恒流電路對電池均衡的方法,實現了閉環反饋的均衡控制；文獻[7]提出一種集成估算方法的電池均衡控制算法。上述研究和設計,存在均衡算法復雜以及均衡控制系統、均衡電路的實際工程實現困難問題。本文設計了一種充放電雙向分散式的均衡電路,該電路主要包括控制開關、DC/DC變換器和電感。對于多模組動力電池,該均衡電路具有均衡誤差小和均衡效率高的特點。

1 均衡系統原理與設計

多模組動力電池均衡系統采用主動均衡法,在插電式混合動力汽車整個電池管理系統中,電池均衡系統一般由均衡電路和控制電路組成,由多個控制模塊和相應的硬件電路構成。其中控制模塊包括電池主控板、均衡管理模塊、絕緣監測模塊、數據采集模塊、OBD故障診斷模塊以及保護裝置。各個控制模塊之間利用傳輸速率高的CAN總線實現信息的通信和共享,均衡系統內部CAN總線通信波特率為250 kbit/s,采用上位機實時監控均衡系統的工作狀態。均衡系統原理框圖見圖1。

圖1 均衡系統原理框圖

動力電池包是由N個動力電池單體通過串聯的方式組成的。動力電池在充放電過程中易導致溫度過高,利用保護裝置來保護動力電池。保護裝置由散熱器和滅火器構成。動力電池正、負母線對地絕緣電阻的大小是衡量純電動汽車絕緣狀況的重要標志[8]。

絕緣檢測模塊利用電橋平衡原理,對電池包母線或相關連接支路的絕緣狀態進行實時監控,一旦電池漏電，絕緣檢測模塊會通過CAN總線將故障信息傳送到主控板,從而切斷繼電器以保護動力電池。該絕緣檢測模塊絕緣響應報警時間短,抗干擾性能強。

診斷模塊及其OBD接口用來診斷均衡系統出現的故障信息,對于出現的故障信息,診斷模塊會將故障信息傳遞到電池管理系統中,利用其快速的自診斷功能以及局部修復功能將故障率減小,診斷模塊不但是保證整車安全性能的重要部件,也是獲取故障信息的重要入口。

由于混合動力汽車在復雜的行駛路況下要不斷地啟停,動力電池不斷地處在充放電過程中,單體電池出現電壓不一致、壓差變大。為了減小壓差,設定電池包出現單體電壓壓差大于安全閥值Vs。絕緣檢測模塊檢測到電池包無絕緣故障時,主控板發出繼電器閉合命令,啟動主動均衡模塊對電池進行均衡管理,均衡過程中,數據采集模塊實時地采集充放電電流、電池電壓等信息。均衡系統控制策略見圖2。

圖2 均衡控制流程圖

2 均衡電路設計

由于充分利用每安時對于提高整個混合動力汽車/純電動汽車的能源費率是非常有必要的,而不應通過分流電阻來使能量流失[9]。均衡實質是通過單體電池間的電壓差實現均衡, 而實際該電壓差很小,最高只有幾百毫伏,考慮均衡回路中開關管的導通壓降,均衡能量很難轉移[10]。雙向分散式均衡電路采用充放電再分配的策略進行設計,利用升降壓型DC/DC變換器和電感代替通道電容,進而提高電池均衡效率。以升降壓型DC/DC變換器為媒介,實現能量的雙向流動。基于能量再分配原理的通道電容均衡電路受限于電池單體間電壓轉換復雜,大大地降低了均衡效率,改進的均衡電路對多模組大容量的動力電池系統易于調控和實現。改進的均衡電路如圖3所示。選取均衡時間作為該均衡電路的均衡性能高的表征參數。由式(1)可以看出基于升降壓型DC/DC變換器和電感的均衡電路摒棄了限流電阻,使得均電流增大,從而減少均衡時間,提高了多模組動力電池的均衡性能。

ΔSOCi=SOC(k)-SOC(k-1)

(1)

(2)

(3)

式中ΔSOCi、SOC(k)、SOC(k-1)分別表示第i個電池單體的SOC百分比,k和k-1時刻第i個單體的SOC百分比；Q、Qv分別表示電池單體的初始容量以及平均容量；N、Ib、Tb分別表示電池組單體的個數、均衡電流以及均衡時間。

圖3 均衡電路

電池均衡模塊電路是控制單體電池均衡充放電的核心電路[11]。該均衡電路利用DC/DC變換器和電感將能量由高電池單元轉換到低電池單元,動力電池單元都有獨立的DC/DC變換器和電感。控制信號和通道信號都是由主控板發出,用來控制相應電池和通道開關的閉合,從而實現電池的均衡管理。當電池Cell1和電池Cell3的之間的電壓差大于設定的安全閥值時,閉合SK2、SK4、SP1和SP2,同時通道開關SP1和SP2保持在開關上觸點,電池Cell1經由DC/DC變換器給電感充電,而后電感給電池Cell3充電，這種均衡方法實現了能量的雙向轉換。由于單獨采用電阻或電容的傳統被動均衡電路,從而使電池組中單體電池差異保持在合理范圍內,只要均衡能力足夠,并能使之最終完全消除,從而達到保護電池延長電池循環壽命的作用[12]。由于采用了獨立的DC/DC變換器和電感,當動力電池組中有多個電池單元電壓壓差多大時,都能同時進行均衡管理,均衡電流大,系統響應也快,多模組動力電池均衡效率大大提高。

3 均衡測試實驗

利用設計好的均衡電路,其中電感值為19.75 μH，在整車上對60 Ah/365 V的動力電池組進行均衡測試。該動力電池組由96串單體鋰離子電池串聯組成,最高單體和最低單體壓差大于20 mV。實驗中,數據采集從板1和板2(圖4中上面2塊板)分別采集了未均衡時的電池電壓數據和均衡后的電池電壓數據。

在混合動力客車實時工況下搭建了多模組動力電池均衡實驗環境,其中均衡電路控制板通過判斷電池單體之間的壓差來給出控制信號，均衡采集板負責采集電池單體的電壓信息，CAN轉換器將采集到的電池信息匯總傳送到上位機。實車動力電池均衡實驗環境如圖4所示。

圖4 實車動力電池均衡實驗環境

從圖5可以看出，車輛經過起步、加速、一般行駛、制動的循環全局行駛工況,在全局的行駛工況下,車輛頻繁啟停,大電流對動力電池造成了很大的沖擊,動力電池的單體之間出現了較大的壓差。

圖5 母線電壓V母曲線

從圖6和圖7可以看出:均衡前電池電壓壓差大于20 mV,控制板發出閉合均衡開關信號,相應的電池單體均衡開關閉合后,電壓高的電池單體與電壓低的電池單體形成能量流動回路,對動力電池進行均衡管理,均衡后的電池壓差小于15 mV,而且均衡響應迅速。

圖6 均衡前電池電壓V曲線

圖7 均衡后電池電壓V曲線

4 結論

對于插電式混合動力汽車,動力電池不一致性帶來的影響是非常巨大的。為解決動力電池壓差偏大問題,本文設計出一種雙向分散式動力電池均衡管理方法,在混合動力客車實時工況下,搭建了多模組動力電池均衡實驗環境進行均衡測試驗證。該均衡管理方法能夠有效地將動力電池壓差控制在15 mV以內,實現多模組動力電池的均衡管理,并且均衡時間短。與此同時,在以后更為復雜的工況下,所設計的雙向分散式均衡電路為插電式混合動力汽車動力電池的安全性和續航能力提供保障。

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