鋰電池均衡管理控制策略研究

重慶交通大學 機電與車輛工程學院 重慶 400074

1 研究背景

鋰電池相比鉛酸蓄電池,具有比能量高、自放電率低、體積小、熱效應弱、無記憶性、使用壽命長等優點,是電動汽車首選的動力源[1]。隨著鋰電池電動汽車市場的發展,鋰電池的安全性能要求越來越高。鋰電池組由單體鋰電池串聯而成。由于受鋰電池自身和生產加工的制約,單體鋰電池存在電阻、電壓、容量等方面的差異,加之電池組裝順序不同,以及產生熱量后的散熱速率、自放電速率等差異,造成鋰電池組在使用時存在單體鋰電池參數不一致,進而對鋰電池組的使用壽命和效率產生影響。在解決鋰電池組不一致性問題時,除了控制生產加工程序外,還需要進行鋰電池均衡管理控制[2]。筆者對鋰電池均衡管理控制策略進行研究。

主動型和被動型是目前鋰電池均衡管理控制策略的兩種主要形式。被動型均衡管理控制策略也稱耗散型均衡管理控制策略,在每個單體電池上并聯一個可控的電阻進行分流,將容量大的電池中多余的電量以熱量的形式消耗掉,實現整組電池電壓的均衡。主動型均衡管理控制策略主要利用電路拓撲開關結構和算法進行融合,實現電量的轉移,分為電量消耗型均衡管理控制策略和非電量消耗型均衡管理控制策略。電量消耗型屬于電量浪費,非電量消耗型則是通過儲能元件將電量多的部分傳遞給電量較少的電池。非電量消耗型均衡管理控制策略中,均衡電路結構復雜、控制難度較大,但是能夠減少電量的浪費,降低電池熱管理的難度,是當今電池均衡管理控制策略研究的重點[3]。

2 被動型均衡管理控制策略

被動型均衡管理控制策略通過將電阻并聯在電路中,以熱量的形式消耗掉單體電池中高于其它單體電池的電量。常見的被動型均衡管理控制策略有固定電阻分流法和開關電阻分流法,分別如圖1、圖2所示。

圖2 開關電阻分流法均衡管理控制策略

被動型均衡管理控制策略中,均衡電路簡單,成本低,易于模塊化,但是多余的電量會轉換為熱量形式散失,進而造成電能浪費,同時還會增加電池熱管理系統的負擔,降低電池組的容量。此外,被動型均衡管理控制策略不能有效控制每一個單體電池,會造成實際容量衰減,縮短循環壽命,并且在大容量電池組中進行均衡的效率較低,完成電池組均衡的時間較長。針對以上缺點,徐磊[4]提出一種變電阻均衡充電方案,在每個單體電池兩端并聯阻值可變的電阻,根據單體電池電壓差大小控制均衡電阻值,進而使電池端電壓達到一致。

3 主動型均衡管理控制策略

3.1 控制策略概述

應用主動型均衡管理控制策略,在充放電過程中,當單體電池的電壓達到閾值時,通過控制開關使電路中的充電電流不流通該單體電池,即將該單體電池從整個電池組中進行旁路。對所有電壓達到閾值的單體電池進行以上操作,直至所有電池充滿電。張風燕等[5]提出一種基于模塊旁路與鎖定接入的智能均衡控制策略,在保證等效兩電平輸出的前提下,實現電池電量的快速均衡控制。華彬等[6]提出一種改進的鋰電池主動充電均衡方案,以諧振電路為主,利用諧振軟開關實現開關的零電流導通和截止,并通過輔助二極管均衡模塊來解決諧振電路均衡后期電流過小的問題,達到充電過程的主動均衡。在研究中,應用MATLAB/Simulink軟件建立均衡電路模型,通過仿真分析,確認均衡效率得到了顯著提高,電池之間的不一致性得到了明顯改善。

3.2 電容式

傳統的電容式均衡管理控制策略可以分為飛渡電容式和開關網絡電容式兩種[7],分別如圖3、圖4所示。

圖3 飛渡電容式均衡管理控制策略

電容式均衡管理控制策略利用電容儲存元件結合電路拓撲結構,實現電池組中電量高的單體電池電量轉移至電量相對較低的單體電池[8]。采用這一策略,如果相鄰兩個單體電池間電壓較低,那么會使均衡時間延長,而且過多的開關會消耗較大的電量,造成浪費,并且使均衡效率變低[9]。趙漢賓等[10]提出改進型飛渡電容式動態均衡管理控制策略,利用率和實際容量相比改進前均提高兩倍以上。通過分析開關網絡電容式均衡管理控制策略的均衡效率問題,可以得出均衡電流與電池初始荷電狀態差、電池性能、電路總阻抗和充放電穩定時間有關,與電容值無關[11]。

圖4 開關網絡電容式均衡管理控制策略

3.3 電感式

電感式均衡管理控制策略原理與電容式均衡管理控制策略類似。在電路中,電感作為儲能元件,用于轉移電量。Cao等[12]提出一種基于電感的主動均衡電路,實現了相鄰單體電池之間的電量轉移,電路中的開關由功率大小控制導通與關斷。均衡時電量在相鄰單體電池間轉移,經過多個循環后可以使整個電池組各單體電池電壓趨于一致,但是均衡速度受到一定限制,并且這樣做對不需要充電的單體電池也進行了多次充放電,無形中縮短了電池的使用壽命[13]。趙立勇等[14]提出在電感電流斷續模式下,使用電池自身的電壓作為驅動的外部電源,實現相鄰單體電池之間的均衡。這種均衡方式具有體積小、成本低、效率高等特點。

3.4 DC/DC變換器式

張旭升[15]提出了一種基于DC/DC變換器的均衡管理控制策略,并給出了均衡電路的主要參數,同時在MATLAB/Simulink軟件中進行了仿真試驗,驗證了這一策略的可行性。李瑞生等[16]對DC/DC變換器的拓撲結構進行了研究,比較了幾種電池組均衡方法,設計了開關陣列和雙向變換器的電路拓撲結構,并在此基礎上提出了一種主動均衡系統。這一均衡系統由電池組、開關陣列、雙向DC/DC變換器、數據采集單元和控制單元組成。此外,DC/DC變換器式均衡管理控制策略在延長電動汽車續航里程方面具有積極的作用[17]。

4 混合式均衡管理控制策略

將多種均衡管理控制策略的優點結合起來,形成混合式均衡管理控制策略,可以提高電池組的均衡速度和效率。朱浩等[18]提出一種結合單體電池間被動型均衡管理控制策略與電池組間利用儲能電感進行主動均衡的混合式均衡管理控制策略。林小峰等[19]提出一種雙層結構的主動型均衡管理控制策略,分別控制底層雙向Buck-Boost電路和頂層反激式變換器電路開關的通斷,實現電量的轉移,進而達到均衡。薛力升等[20]提出兩級混合式均衡管理控制策略,第一級采用電感式均衡電路,通過儲能電感轉移電量,第二級采用獨立變換器并聯均衡電路。這種控制策略的優點為均衡時間短、效率高。

5 結束語

鋰電池均衡管理控制策略對于提高電動汽車電池的壽命和效率而言,具有重要的意義。當單體電池之間電壓差異非常微小時,可以采用被動型均衡管理控制策略。在電動汽車行駛過程中,電池組之間會產生不一致性,此時在模組之間可以采用電感式、DC/DC變換器式、電容式等主動型均衡管理控制策略,以實現快速均衡。

混合式均衡管理控制策略結合了各種均衡管理控制策略的優點,可以優化均衡電路的結構,使均衡效率最高,并且可以實現均衡方式的精細化,減少電量的浪費。對常見的電池均衡管理控制策略進行研究并進行組合,進而得到一種最優的混合式均衡管理控制策略,是未來的研究重點。