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車載鋰離子電池系統(tǒng)及充電技術(shù)解析

來(lái)源:新能源網(wǎng)
時(shí)間:2018-09-04 22:50:20
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車載鋰離子電池系統(tǒng)及充電技術(shù)解析電動(dòng)汽車采用電能替代化石燃料作為動(dòng)力,是未來(lái)交通的唯一長(zhǎng)遠(yuǎn)解決方案。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的心臟,只有對(duì)其進(jìn)行充分的了解,才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的順利推

電動(dòng)汽車采用電能替代化石燃料作為動(dòng)力,是未來(lái)交通的唯一長(zhǎng)遠(yuǎn)解決方案。動(dòng)力電池系統(tǒng)作為電動(dòng)汽車的心臟,只有對(duì)其進(jìn)行充分的了解,才能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的順利推廣。本文從國(guó)內(nèi)外電動(dòng)汽車主要車載動(dòng)力電池的發(fā)展趨勢(shì)角度出發(fā),對(duì)比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)分析。

鋰離子電池組充電機(jī)充電不均衡易使其產(chǎn)生過(guò)充放電問(wèn)題,嚴(yán)重?fù)p害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機(jī)充電模式,使電池組更加安全、可靠地充電機(jī)充電,能夠延長(zhǎng)其使用壽命,增加安全性,降低使用成本。

1 車載鋰離子電池管理系統(tǒng)

作為電動(dòng)汽車電池的監(jiān)測(cè)“大腦”,電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電池剩余電量的監(jiān)測(cè),預(yù)測(cè)電池的功率強(qiáng)度,便于對(duì)整個(gè)電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控。

純電動(dòng)汽車中,BMS具有預(yù)測(cè)電池剩余電量、預(yù)測(cè)行駛里程和故障診斷等智能調(diào)節(jié)功能。BMS對(duì)鋰離子電池的作用尤為明顯,可以改善電池的使用狀態(tài)、延長(zhǎng)電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來(lái)電動(dòng)汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。

車載鋰離子電池系統(tǒng)及充電技術(shù)解析

如圖1所示,BMS中數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)電池組的電壓、電流和溫度進(jìn)行測(cè)量,然后將采集的數(shù)據(jù)分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示。熱管理模塊對(duì)電池單體溫度進(jìn)行控制,確保電池組處于最優(yōu)溫度范圍內(nèi)。

安全管理模塊對(duì)電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結(jié)果進(jìn)行判斷,當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)出故障報(bào)警并及時(shí)采取斷路等緊急保護(hù)措施。狀態(tài)估計(jì)模塊根據(jù)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù),進(jìn)行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。

目前主要是SOC估算,SOH估算技術(shù)尚不成熟。能量管理模塊對(duì)電池的充放電過(guò)程進(jìn)行控制,其中包括電池電量均衡管理,用來(lái)消除電池組中各單體的電量不一致問(wèn)題。數(shù)據(jù)通信模塊采用CAN通信的方式,實(shí)現(xiàn)BMS與車載設(shè)備和非車載設(shè)備之間的通信。

BMS的核心功能是SOC估計(jì)、均衡管理和熱管理,此外還具有其他功能比如充放電管理、預(yù)充電機(jī)充電管理等。在電池充放電過(guò)程中,需要根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行管理,設(shè)置電池的最佳充放電曲線,例如設(shè)置充電機(jī)充電電流、充電機(jī)充電上限電壓值、放電下限電壓值等。電動(dòng)汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負(fù)載在上電瞬間相當(dāng)于短路,因此需要進(jìn)行預(yù)充電機(jī)充電管理來(lái)防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊。

2 電池管理系統(tǒng)的核心功能

2.1 SOC估算

SOC用來(lái)描述電池剩余電量,是電池使用過(guò)程中最重要的參數(shù)之一。SOC估計(jì)是判斷電池過(guò)充過(guò)放的基礎(chǔ),精確的估計(jì)可以最大限度的避免電池組的過(guò)充放電問(wèn)題,使其更加可靠地運(yùn)行。

電池SOC的估算在內(nèi)部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強(qiáng)烈的非線性。影響電池容量的內(nèi)外因素有多種,如電池溫度、電池壽命、電池內(nèi)阻等,要準(zhǔn)確完成SOC估算有很大困難。

現(xiàn)有的SOC估算方法如下

(1)安時(shí)計(jì)量法。安時(shí)計(jì)量法不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等方面的變化,因而有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的優(yōu)點(diǎn),但是該方法的精度不高。若電流測(cè)量精度不高,那么隨著時(shí)間的推移,SOC累計(jì)誤差將不斷加大,影響最終結(jié)果。該方法適合計(jì)量電動(dòng)汽車上的電池SOC,若能提高測(cè)量精度,不失為一種簡(jiǎn)單可靠的SOC計(jì)量方法。

(2)開路電壓法。鋰離子電池開路電壓與SOC有近似線性關(guān)系,可用來(lái)判斷電池內(nèi)部的狀態(tài)。但因測(cè)量要求較為嚴(yán)格,需要電池靜置時(shí)間至少在1 h以上,不適合單獨(dú)使用于電動(dòng)汽車內(nèi)電池的在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。一般情況下,因開路電壓法在充電機(jī)充電初、末期估算值準(zhǔn)確率較高,經(jīng)常將開路電壓法與安時(shí)計(jì)量法結(jié)合使用。

(3)卡爾曼濾波法??柭鼮V波法憑借出色的糾正誤差能力,特別適合于電流波動(dòng)劇烈的混合動(dòng)力電池,該估算法的缺點(diǎn)在于對(duì)系統(tǒng)處理速度的要求較高。

(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布并行處理、非線性映射和自適應(yīng)學(xué)習(xí)等特性,因此可以用于模擬電池動(dòng)態(tài)特性,估算SOC。但是此方法需要大量參考數(shù)據(jù)供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí),且數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法要求較高,否則會(huì)造成不可接受的誤差。

2.2 均衡管理

在生產(chǎn)電池過(guò)程中要經(jīng)過(guò)很多道工序,差異化會(huì)造成不一致的狀態(tài)。電池單體的差異主要表現(xiàn)在隨著時(shí)間推移和溫度變化,其內(nèi)阻和容量都會(huì)有差異。單體之間大的差異更容易引起過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象,造成電池?fù)p壞。實(shí)現(xiàn)電池均衡能夠最大限度地發(fā)揮動(dòng)力電池的效用,延長(zhǎng)電池使用壽命,增加安全性?,F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外主流均衡方法如下

(1)電阻均衡法。此方法是能量耗散型均衡法的主要代表,方法簡(jiǎn)單,成本低,但是能量損耗比較大,效率較低,只適用于小電流充放電的系統(tǒng)中。

(2)開關(guān)電容法。此方法是非能量耗散型均衡法的主要代表,它彌補(bǔ)了電阻均衡的缺點(diǎn)。但它控制電路復(fù)雜,均衡速度較慢,用時(shí)較長(zhǎng),不適合大電流使用。

(3)變壓器均衡法。此方法是基于對(duì)稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組主動(dòng)均衡控制方法。它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、器件多,體積太龐大,不易于電池組的擴(kuò)展。一般適用于大電流的充放電中。

(4)集中式均衡。該方法能迅速地使整個(gè)電池組為電池單體轉(zhuǎn)移能量,集中式均衡模塊的體積更小。但多個(gè)電池的均衡操作不能并行進(jìn)行,而且需要大量線纜連接,不適用于電池?cái)?shù)量較大的電池組。

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