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[电池材料] 电动汽车电池组均衡技术研究进展

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发表于 2021-6-23 10:50:59 | 显示全部楼层 |阅读模式
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谭泽富,杨 芮,何德伍,孙荣利
(重庆三峡学院信息与信号处理重点实验室,重庆404000)
摘要:电池均衡技术是改善纯电动汽车动力电池组的不一致性,提升电池组的整体性能和汽车续航能力的有效方式,已成为领域内的研究热点。介绍了电池均衡技术的分类,并对基于Buck-Boost电路的均衡技术和基于LTC3300的主动均衡技术进行了剖析,详细描述其均衡原理,并进行实验验证。还简要分析了该技术在国内外的商业应用,最后对电池均衡技术未来的发展趋势进行了分析。
关键词:电动汽车;电池;不一致性;均衡技术
动力电池组是纯电动汽车的全部动力输出,其能量密度和蓄电能力制约了电动汽车的行车速度和里程,其使用寿命决定了电动汽车的市场份额[1-2]。每节单体电池电压较低,所以需要将几十串到几百串单体电池进行串联以满足高电压需求[3-4]。但单体电池的制造工序和环境因素不同,导致每节电池的内阻等内部性能参数存在不一致性。这种不一致性会在循环使用过程中越来越明显,严重缩短电池的使用寿命,甚至出现安全事故[5]。
电池均衡技术就是克服这一问题的有效方法。此技术能可靠地减小单体电池在使用过程中的差异,尽可能保持电池单体的一致性,并对电池单体两端电压和剩余电量持续监测,避免过度充电和放电,从而增加每节单体电池的循环使用次数,进而提升电池组的整体机能。
电池均衡技术分为主动均衡和被动均衡两种,主动均衡技术是目前研究的热点。CUI等[6]提出一种模糊逻辑主动平衡电路的控制器并进行了实验验证。与比例积分控制器(proportional integral controller,PIC)相比,从速度和效率两方面提高了性能。模糊逻辑控制器(fuzzy logic controller,FLC)的平衡时间仅为PIC的三分之一,在电压差小得多的情况下效果更好。FLC的安时效率达到83.9%,比PIC提高了近20%。Manuel R覿ber等 [7]提出的主动均衡技术,电路只包含2个非孤立的DC/DC转换器。结合MOSFET开关矩阵,它能在高电流下平衡电池系统的任意电池单元,相邻单元可以同时平衡。在相同的均衡时间下,电池组到单体再到电池组的方法的均衡效率为89.4%,该方法的总体均衡效率为92.5%。与被动均衡系统相比,可用容量从97.1%增加到99.5%。目前,国内外针对主动均衡技术展开研究,提出颇多改进方法和新技术,但都缺少对电池组性能差异的系统分析,难以实现产业化应用。
1 电池均衡控制技术
被动均衡又称作能耗均衡,采用耗能的方法耗损掉SOC相对较高的单体电池中的电量。电阻放电均衡是一种常见的能耗型均衡(图1),把线性电阻器和控制开关串联,再并接到电池的两端作为分流支路,当监测单体电池达到均衡调节条件时,系统操控开关闭合,电池利用电阻器进行放电。因为流过支路电阻的电流值与电池电压是成正比关系的,当电池电压变大时,流过电阻的电流也会增大,所以能够利用分流电阻对电压较高的电池进行放电,从而完成使串联的各节电池电压变成基本一致的状态。该均衡方式相对非能耗均衡具有结构简单和成本低等优势,但它在工作时会产出很多热量以及会造成能量的损耗,并且均衡效率较低,所以该均衡方式通常只应用在充电均衡。目前能耗型均衡已经不是研究的主要方向[8-9]。

图1 电阻放电均衡原理图

主动均衡又叫非能耗均衡,这种均衡方式是利用主动控制实现将能量从SOC较高的单体电池迁移到SOC较低的电池中,通常用到的电子元件是电容、电感、多绕组变压器和开关管[10]。与能耗均衡相比具有效率高、散热少以及能量浪费低等优点,因此非能耗均衡是现在的研究热点[11]。
1.1 基于Buck-Boost电路的均衡技术原理
均衡由n节电池串联、3n+1个N沟道增强型MOSFET、两个二极管及一个电感构成[12]。为消除MOSFET的寄生二极管给均衡电路带来的影响,电路中只使用MOSFET的正向导通性(图 2)。

图2 基于Buck-Boost电路的均衡技术原理图

1.1.1 充电均衡原理
在电池组充电过程中,均衡电路模块可以完成把端电压(或SOC)最大的电池的电量迁移到电池组。当第Ei节电池电量过高时,需要将其电量迁移给电池组,则需要对Qi和Qi'进行脉宽调制,并确保两个MOSFET开关同时接通或者断开。当Qi和Qi'闭合导通时,其他的MOSFET都被关断,这时Ei通过Qi和Qi'向电感L充电;当Qi和Qi'断开时,打开Q和Q',电感L与Q和Q'以及两个二极管形成回路,向电池组转移能量,并通过控制占空比调节均衡的速度[12]。
1.1.2 放电均衡原理
当电池组处于放电状态时,均衡电路模块可完成把电池组的电量迁移到端电压或者SOC最低的电池中。当第Ej节电池需要充电时,MOSFET开关P'、Pj'一直处于闭合导通状态,对P和Pj进行脉宽调制。电池组通过开关P和P'向电感L转移能量,电感储能完毕后,开关P断开,同时打开Pj,电感通过D1、D2和打开的MOSFET给单体电池充电 [MOSFET开关Pj(2≤j≤n)对应于 MOSFET 开关 Q'j-1]。
基于Buck-Boost电路的均衡技术是现目前被采用较多的一种均衡方案,工作过程很好地体现了能量流动方向,且对均衡电流的控制能力较强。相比谐振均衡等方案有可延展性强、成本低等优势,但存在开关管动作次数较多,均衡速度低等问题[13]。
1.2 基于LTC3300的电池组均衡技术原理
均衡电路由12个均衡模块组成,模块单元原理图见图3,包含1个反激式变压器和2个MOSFET开关管。变压器的原边绕组和单体电池正端和负端连接,副边绕组和电池组的正负端连接。开关管串接到原边绕组的异名端和副边绕组的同名端。每个均衡单元都由LTC3300进行管理,每一片芯片能够对六节串联电池进行双向同步反激式均衡[14-15]。

图3 均衡系统模块单元

均衡原理图如图 4,其中 Cn、Cn-1、Cm、Cm-1分别代表第 n、第n-1、第m、第m-1节电池,V+代表六节串联单体电池的正端,V-表示六节串联电池的负端,T1、T2表示反激变压器。GnP、GmP、InP、ImP、GnS、GmS、InS、ImS 分别与 LTC3300 中名称对应的引脚连接。S1、S2、S3、S4均为 MOSFET开关管。

图4 均衡电路单元

当第Cn节单体电池端电压太高,需要调节时,控制系统给LTC3300发出均衡执行指令。此时芯片的GnP引脚输出电位为高,S1闭合,电池Cn通过T1初级绕组进行放电,InP引脚测量线路中电流大小,当电流为最大值2 A时,均衡完毕,控制系统给芯片发出均衡停止指令,GnP引脚输出低电位,S1关断。控制系统给LTC3300发出均衡执行指令,芯片的GmS引脚输出电位为高,T2的S3闭合,S3与S2形成回路,电流流过变压器T2的次级绕组,ImS引脚测量线路中电流大小;当电流为最大值2 A时,控制系统给LTC3300发出均衡停止指令,GmS引脚输出低电位,S3断开。控制系统向LTC3300发送均衡执行指令,芯片的GmP引脚输出高电位,电流经T2的初级绕组对电池Cm充电,ImP引脚测量线路中电流大小;当电流为最大值2 A时,控制系统向LTC3300发出均衡结束指令,GmP引脚输出低电位,S3断开,均衡完毕。反复多次,便能够完成对六节串联单体电池的均衡[15]。十二节单体电池串联则增加一块LTC3300,所以第二块LTC3300只需将第六节单体电池的正端和V-引脚相连,第十二节单体电池的正端和V+引脚相连,两块芯片的V+相连,便能够完成对十二节串联电池主动均衡。
选择LTC3300控制芯片为核心的电池均衡模块,配合LTC6804等电池组监视器,形成高性能主动均衡方案,均衡效率达90%以上,均衡电流相比普通均衡电路可提升一倍。但单片LTC3300只能完成对六节串联电池的均衡,对于单体数量较多的电池组,必定增加均衡电路的复杂性,提高管理难度[16]。
2 商业应用
最近几年,全球电动汽车市场扩张迅速,电动汽车需求量越来越大,动力电池装机量也大幅增加。电池均衡技术作为电池管理系统(battery management system,BMS)的重点研究技术之一,美、德、日等汽车制造大国,为了占领电动汽车市场的战略高地,陆续发布各项政策以推动其发展。但主动均衡技术还不成熟,所以市场上的电动汽车一般都使用被动均衡技术。
2.1 国外
美国的通用、福特、特斯拉公司,日本的丰田、日产和本田公司,欧洲的宝马、奔驰公司等在电动汽车电池均衡技术的研发方面都有雄厚的实力。美国电动汽车的进步是在三大著名汽车公司的引领下,且在拥有扎实的技术条件和丰富的资源等优势的基础上,在电动汽车的各项技术上都有突破。欧洲和日本一直都很重视电动汽车的发展,并注入了大量的研发资本进行可行性研究。在电池均衡技术方面不断进步,部分技术现已处于产业化阶段[17]。分析统计数据,2018年售出的电动汽车中,产自美国的有19.8万辆,日本14万辆,挪威6.22万辆,德国为5.36万辆,英国4.8万辆,法国3.6万辆。其中使用被动均衡技术的电动汽车48.05万辆,占电动汽车总量的75.2%,采用主动均衡技术的电动汽车中,28.6%来自美国特斯拉、雪佛兰系列汽车,21.9%来自日本丰田、本田旗下汽车,见图5。

图5 国外各国电动汽车所占份额

2.2 国内
在国家政策的推动下,国内电动汽车行业迅速崛起,在世界市场中占有主导地位[18]。在电池均衡技术方面,被动均衡技术已经比较成熟,同时,在主动均衡技术上,国内自主品牌不断推陈出新,正迅速的追赶国外先进水平。2018年国内自主品牌销量达57.9万辆,其中使用被动均衡技术的电动汽车46.8万辆,占电动汽车总量的80.8%,采用主动均衡技术的电动汽车中有17.2%来自比亚迪E系列汽车,12.6%来自北汽新能源的EC系列。总量中比亚迪电动汽车11.4万辆,北汽10.3万辆,上汽4.4万辆,知豆电动汽车4.3万辆,荣威4.04万辆,众泰3.7万辆,奇瑞3.4万辆,长安2.9万辆,吉利2.5万辆,见图6。据工信部、国家发改委、科技部联合印发《汽车产业中长期发展规划》分析,预计2020年,全国电动汽车销售量将会达到257万辆。
3 均衡实验验证3.1 基于Buck-Boost电路的均衡实验
本实验将均衡电路放入艾德克斯ITS5300电池测试系统(南京产)进行测试,实验分为充电均衡实验和放电均衡实验,同时选择条件一致的电池做不均衡充放电实验作为对比[13]。
(1)无均衡充电实验结果为:电池组充电完成后,单体电池间的SOC最大差值是13.55%,充进电池组的能量总量占标定总容量的85.42%。均衡充电实验的结果为:电池组充电完成后,单体电池间的SOC最大差值减小为8.63%,充进电池组的能量总量提高到标定总容量的90.75%,见图7。
(2)无均衡放电实验结果为:电池组完全放电后,单体电池间SOC最大差值为11.54%,电池组剩余电量是标定总容量的17.65%。均衡放电实验结果为:单体电池间SOC最大差值只有6.82%,电池组剩余电量是标定总容量的14.27%,见图8。
3.2 基于LTC3300的电池组均衡实验
对6节INR18650K电池在艾德克斯ITS5300电池测试系统(南京产)中进行实验,均衡时间设置为120 min,并实时采集每节电池的电压信息。由数据可知,最大电压差为354 mV,随着均衡时间的累计,差值逐渐减小,经过120 min,最大差值减小到35 mV,见图9。由此可知,该均衡技术大大减小了电池组单体电池间的不一致性,对提高电池寿命和续航能力有很大作用[14]。但是LTC3300适用于单体电池数量较少的电池组(如6节电池),针对电动汽车上的动力电池组,它的控制性能还有待改进[16]。
4 结论
文章对基于Buck-Boost电路和LTC3300芯片的两种均衡技术进行了剖析,两种技术都降低了电池组的不一致性,很大程度上提升了电池电量的利用率,但都局限于单体电池数量较少的情况。对电池进行充放电管理的目标参数大多都是选择电池电压,但实际管理情况却达不到理想效果,电池组难以得到精确的均衡[19]。在均衡方式方面,被动式均衡会造成一定的能量损失,所以被动式均衡会逐渐被主动式均衡替代。但是主动式均衡也还有电路连接复杂,价格较高等缺点。目前电池均衡技术研究的关键因素是了解和掌握电池在汽车运行过程中的特点,并根据采集的各方面数据对均衡电路进行适当的调整[20]。未来对电池均衡技术的研究可面向以下三个方面:
(1)电池组的并联有一定的需求,但这方面还没有受到太多的关注,急需提出一个全面的能量均衡策略;
(2)组内均衡和组间均衡相结合,结合电池组在纯电动汽车上的实际工作情况,同时把电压差和容量差参数利用起来,以确保均衡更精准;
(3)均衡技术应该在提高电压、电流和提高效率等方面做更多研究。在均衡策略的选择上,应朝着智能化的算法靠近,达到既提高电池组的能量利用率,又减少能量的耗散和均衡时间的目的。


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