針對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池組的非耗散式均衡技術(shù)的分析與仿真

宋冉旭

(杜倫大學(xué) 工程學(xué)院，杜倫 英國(guó)DH1 3LE)

近年來(lái)，世界上的電動(dòng)汽車數(shù)量大幅增加，已超過(guò)1 650萬(wàn)輛[1]，電動(dòng)汽車與低碳電力技術(shù)結(jié)合應(yīng)用，能為構(gòu)建一個(gè)低碳排放的未來(lái)世界提供巨大潛力。目前，電動(dòng)汽車的一個(gè)主要痛點(diǎn)是充電速度比燃油車加油速度慢。當(dāng)前市場(chǎng)上充電速度最快的電動(dòng)汽車是保時(shí)捷Taycan Plus，其充電速度可以達(dá)到85 km/min[2]，而常規(guī)加油泵往往可以達(dá)到600 km/min[3]，相較而言，電動(dòng)汽車仍存在明顯差距。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，即使國(guó)家和電動(dòng)汽車服務(wù)廠商在大力推進(jìn)快速充電樁建設(shè)速度，但現(xiàn)有快速充電的服務(wù)點(diǎn)仍無(wú)法滿足人們需求。在電動(dòng)汽車領(lǐng)域快速充電技術(shù)尚未成熟的大環(huán)境下，如果我們想獲得與燃油車相似的體驗(yàn)感，電動(dòng)汽車需提升其續(xù)航能力，以減少充電頻次。因此，研發(fā)一種新技術(shù)來(lái)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的續(xù)航里程具有重要意義。

1 文獻(xiàn)綜述與問(wèn)題提出

1.1 電芯之間的出廠容量存在離散化關(guān)系

由于制造工藝的原因，電動(dòng)汽車電芯之間存在個(gè)體容量差異。研究表明，容量差異的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.2%～0.3%[4]。同時(shí)，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池之間的容量差異將表現(xiàn)得更加突出[4-5]。此外，電芯的能量差異還會(huì)限制整個(gè)電池組的安全和可用容量[6]，由此將進(jìn)一步影響整個(gè)電池組的效率。

通過(guò)分析由8個(gè)串聯(lián)的鋰離子電池組成的電池組經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)后的容量變化(圖1-A)，可以看出，電池組容量的離散率隨著循環(huán)次數(shù)的增加而提升。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，串聯(lián)電池組中各個(gè)電池之間的容量差異也會(huì)逐漸變大。由圖1-B可見，在經(jīng)歷400次循環(huán)后，電池之間的容量差異非常明顯[7]。

1.2 電池容量的離散化會(huì)導(dǎo)致電池組的能量浪費(fèi)

電池組充電或放電時(shí)，根據(jù)充電狀態(tài)的不同，電池組的可用能量范圍也不盡相同。2種平衡狀態(tài)下的4芯電池組的充電狀態(tài)見圖2，圖中不同顏色的方柱代表電池組的不同電芯。當(dāng)充電狀態(tài)不平衡時(shí)(圖2-a)，將導(dǎo)致“木桶效應(yīng)”，即充電、放電操作將受到最強(qiáng)或最弱電池的限制，導(dǎo)致電池組的可用容量降低。在此基礎(chǔ)上，鋰離子電池過(guò)度充電可能會(huì)引起爆炸或火災(zāi)，過(guò)度放電可能會(huì)使電池的特性下降。因此，使用能量平衡技術(shù)來(lái)提升可用的充電/放電范圍[6](圖2-b)具有重要意義。

a.不平衡的電池組；b.平衡良好的電池組

1.3 電池管理系統(tǒng)能量均衡的常見方法

在常見的電池管理系統(tǒng)配置中，電池能量均衡的2個(gè)主要方法是耗散式和非耗散式[8]，也被稱為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。使用最廣泛的均衡方式是基于更穩(wěn)定的耗散式均衡方法，但這種方法會(huì)造成能源浪費(fèi)。

簡(jiǎn)單的耗散式能量均衡的解決方案見圖3[9]，該電路的工作原理是使用一個(gè)開關(guān)控制并聯(lián)電阻的導(dǎo)通來(lái)耗散能量較高電芯的能量，從而使電池組中每個(gè)電芯的電壓都相同。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、成本低，但其均衡是通過(guò)能量耗散實(shí)現(xiàn)的，將導(dǎo)致能量浪費(fèi)，同時(shí)給車輛帶來(lái)熱控制負(fù)擔(dān)[10-11]。

圖3 基本的電阻式耗散平衡電路

非耗散式均衡方案通常是利用電容器、電感器、變壓器和DC-DC轉(zhuǎn)換器等儲(chǔ)能或轉(zhuǎn)換元件，主動(dòng)將能量從高能量單元轉(zhuǎn)移到低能量單元[8，10-11]。一種使用電容的非耗散式能量均衡電路[9](圖4)由開關(guān)控制，先將能量從較高能量的電池儲(chǔ)存到電容器，然后再將能量從電容器轉(zhuǎn)移到能量較低的電池。而且，必須通過(guò)多次轉(zhuǎn)移才能實(shí)現(xiàn)能量完全均衡，速度較慢[9]，這不適合大容量多電池組。但該解決方案并不會(huì)導(dǎo)致大量的能量浪費(fèi)，反而會(huì)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程，并同時(shí)保護(hù)電池組。

圖4 基本的電容型非耗散均衡方案

基于面向電動(dòng)汽車非耗散式均衡解決方案較少，需要設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單、高效、易于升級(jí)維護(hù)的鋰電池組非耗散式均衡方案，以用來(lái)解決電芯之間能量不均導(dǎo)致的能量浪費(fèi)等問(wèn)題，最大化提升電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。本研究主要方向是基于電感的雙向非耗散式能量均衡電路。

2 方案電路設(shè)計(jì)

2.1 電芯的選擇及其特征

純電動(dòng)汽車發(fā)展的技術(shù)核心在于車載動(dòng)力電池。具有比能量高、安全性能好、使用壽命長(zhǎng)的鋰離子電池是現(xiàn)有電動(dòng)汽車廣泛使用的材料[12]。而在電動(dòng)汽車的發(fā)展史上，出現(xiàn)了多種材料制作而成的電芯。

鉛酸電池工藝成熟，市場(chǎng)應(yīng)用相對(duì)較早。但其缺點(diǎn)也很突出，不僅比能量小，充電速度慢，而且壽命短[13-14]。鎳鎘電池、鈉硫電池和鋰離子電池市場(chǎng)應(yīng)用較晚，但發(fā)展較快。由圖5可見，鋰離子電池的能量密度是歷史上使用的電池材料中最高的[15-17]。同時(shí)，由于鋰離子電池?fù)碛懈蟮哪芰棵芏?、更?qiáng)的安全性和可靠性，電池設(shè)計(jì)的模塊化和冗余性以及充電方法更為簡(jiǎn)便，人們對(duì)商用鋰離子電池的關(guān)注度正在快速提升[18]。

圖5 小型電芯的能量密度對(duì)比

本研究將選用LG-Chem-INR18650 M36T 12.50 Wh可充電鋰離子電池作為電池組電芯。根據(jù)LG公司的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算表明[19]，單個(gè)鋰電池的能量差異仍可能會(huì)超過(guò)0.4 Wh，占總能量的3.2%。若使用非耗散式均衡方式進(jìn)行能量均衡，可再次利用這部分被浪費(fèi)的能量。

2.2 電池均衡電路的設(shè)計(jì)

可以實(shí)現(xiàn)電能平衡有很多種常見的電路，本研究使用雙向非耗散式均衡電路結(jié)構(gòu)(圖6)。選擇的主要原因是它較為簡(jiǎn)單，使用的元件數(shù)量少，設(shè)計(jì)和仿真比較容易，實(shí)際應(yīng)用成本低，易于升級(jí)改造。

圖6 一種雙向非耗散型均衡電路的拓?fù)鋱D

由圖6可見，該電池組由多個(gè)電芯串聯(lián)組成。電池組中任意相鄰的2個(gè)電芯都對(duì)應(yīng)一個(gè)均衡子模塊，因此需要n個(gè)單電池，n-1個(gè)均衡子模塊。

如圖7所示的電路是由串聯(lián)電池組中任何2個(gè)電芯組成的均衡電路，設(shè)電池為Bi和Bi+1，電感為L(zhǎng)i，MOSFET為Si1和Si2。

圖7 均衡子電路示意圖

這個(gè)均衡電路可以使能量從高能量電芯轉(zhuǎn)移到低能量電芯。詳細(xì)的工作原理將以一個(gè)最小均衡單元(2電芯電池組)為例來(lái)描述。

若電池Bi的電壓高于Bi+1的電壓，將使用PWM信號(hào)施加于Si1，使Bi的能量轉(zhuǎn)移到Bi+1。

反之，如果電池Bi+1的電壓高于Bi的電壓，將使用PWM信號(hào)施加于Si2上，使Bi+1的能量轉(zhuǎn)移到Bi。因此，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向轉(zhuǎn)移。下面是工作原理的具體分析(以電池Bi電壓高于Bi+1電壓為例)。

均衡電路在電池組的充電過(guò)程、放電過(guò)程和靜止?fàn)顟B(tài)都有著相同的工作模式。下面將介紹靜止?fàn)顟B(tài)下電池組的均衡原理。

均衡過(guò)程分為2個(gè)階段：

階段一：電感充電階段(圖8)。

圖8 電感充電階段電路狀態(tài)

由于電池Bi的電壓高于Bi+1的電壓，PWM信號(hào)被傳遞到MOSFETSi1，高電平狀態(tài)使其導(dǎo)通。電池Bi的放電電流：Ii=Id，使得電池Bi給電感Li充電。

階段二：電感放電階段(圖9)。

在這個(gè)階段，MOSFETSi1收到低電平信號(hào)而被關(guān)閉，電感Li給電池Bi+1充電。Li通過(guò)連續(xù)性二極管Di2給電池Bi+1充電。電池Bi+1的充電電流：Ii+1=Ic。

圖9 電感放電階段電路狀態(tài)

當(dāng)電池A和電池B的電壓相同時(shí)，均衡過(guò)程結(jié)束。

2.3 電路參數(shù)的計(jì)算

通過(guò)合理地設(shè)置電路參數(shù)，電感可以在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)復(fù)位正常，而不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)流經(jīng)電感器的電流如圖10所示，電感器處于電流不連續(xù)的工作模式，占空比應(yīng)≤0.5[20]。

圖10 電感電流斷續(xù)模式示意圖

為了計(jì)算方便，忽略Ron和Roff(Ron是Si1閉合時(shí)的電路總電阻，包括電感Li的直流電阻和Si1的導(dǎo)通電阻等，Roff是Si1斷開時(shí)的總電阻)，再次假設(shè)Bi的電壓大于Bi+1的電壓，當(dāng)MOSFETSi1接通時(shí)，流經(jīng)電感Li的電流線性上升。電池Bi給電感Li充電，電感Li儲(chǔ)存電磁能，得到公式(1)：

(1)

其中，iLi是流經(jīng)電感Li的電流；L是電感Li的電感值；Vi是電池Bi的電壓；t是時(shí)間；D是占空比；T是開關(guān)周期。

當(dāng)Si1斷開時(shí)，通過(guò)電感Li的電流線性下降，電感為電池Bi充電，這就得到了公式(2)和(3)：

(2)

(3)

Imax是流經(jīng)電感Li的峰值電流；Vi+1是電池Bi+1的電壓。

這就得到了在一個(gè)周期內(nèi)流經(jīng)均衡電路中電感的上升電流平均值Iic，見公式(4)：

(4)

可得，均衡電路在一個(gè)周期內(nèi)通過(guò)電感的下降電流平均值Iidc，見公式(5)：

(5)

Tm是電感Li中的電流從最大值下降到零所需的時(shí)間。為了確保電感器在每個(gè)周期都能復(fù)位，必須滿足Tm+D·T≤T。當(dāng)Tm+D·T

3 仿真方案的設(shè)計(jì)

本節(jié)使用Power Simulation(PSIM)2021B軟件來(lái)進(jìn)行模擬仿真。驗(yàn)證方案的電池組在充電、放電和靜止?fàn)顟B(tài)下的可用性。

PSIM模擬仿真器有許多組件模型與自定義選項(xiàng)，其仿真速度快，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，界面友好。為驗(yàn)證這個(gè)設(shè)計(jì)的有效性和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析提供了強(qiáng)大的支持[21]。

為了快速獲得仿真結(jié)果，減少數(shù)據(jù)量，本仿真采用等效替代法。將鋰離子電池視為理想電容，忽略內(nèi)阻的影響，用一個(gè)1F的電容代替鋰離子電池，模擬電池的充電、放電過(guò)程，可以證明均衡電路的有效性。本方案中基于電感的雙向非耗散均衡電路并不只是針對(duì)一種類型的電池，其他類型的電芯均可以應(yīng)用。仿真的目的是驗(yàn)證均衡電路的有效性并探尋該方案的優(yōu)缺點(diǎn)，因此本節(jié)將隨機(jī)選擇不均衡狀態(tài)的電池組電壓數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)樣本。

本方案的模擬電路是由3個(gè)串聯(lián)的電芯單元組成的。均衡控制策略是比較任意兩個(gè)相鄰單元Bi和Bi+1的電壓Vi和Vi+1，均衡激活條件是Vi與Vi+1差值大于5 mV即開啟均衡電路。當(dāng)Vi-Vi+1>5 mV時(shí)，MOSFETSi1以10 kHz的頻率開啟；當(dāng)Vi+1-Vi>5 mV時(shí)，MOSFETSi2以10 kHz的頻率開啟。本方案PWM信號(hào)的占空比設(shè)為0.4，電感設(shè)為300 uH，在MOSFET參數(shù)設(shè)計(jì)中，導(dǎo)通電阻RDS(on)設(shè)為0.5 Ω，二極管壓降設(shè)為零，均衡電路的仿真電路如圖11所示。

圖11 三電芯仿真電路示意圖

控制電路如圖12所示。每個(gè)子控制電路包括一個(gè)加法器作為閾值控制，一個(gè)比較器作為電壓比較模塊，一個(gè)乘法器與方波信號(hào)相乘，并輸出到對(duì)應(yīng)的MOSFET。

圖12 仿真控制電路示意圖

4 方案仿真結(jié)果

4.1 電池組充電過(guò)程

電池初始電壓設(shè)為3.65 V、3.70 V和3.60 V。如圖13所示，B1和B3的電壓在開始時(shí)上升，B2電壓保持不變。在充電過(guò)程中，各電芯電壓均逐漸上升。在0.2 s時(shí)，B1和B2的電壓幾乎相等，隨后一起進(jìn)入充電過(guò)程。約0.5秒后，所有電芯電壓趨于滿足平衡條件，均衡模塊停止工作，均衡完成。

圖13 充電過(guò)程中各電池的電壓變化

4.2 電池組放電過(guò)程

當(dāng)電池組放電時(shí)，電池初始電壓分別設(shè)定為3.65，3.70，3.60 V。一個(gè)100 Ω的電阻被用作負(fù)載電阻。仿真結(jié)果如圖14所示，可見，開始時(shí)，B2的壓降率較高，B1和B3的壓降率較低，所以實(shí)現(xiàn)了能量轉(zhuǎn)移。約0.5 s后，所有電壓趨于滿足平衡條件，均衡模塊停止工作，均衡完成。

圖14 電池組放電過(guò)程中各電池的電壓變化

4.3 電池組靜置過(guò)程

當(dāng)電池組處于靜置狀態(tài)時(shí)，分別設(shè)定電池初始電壓為3.65，3.70，3.60 V。仿真結(jié)果如圖15所示。開始時(shí)B1和B3的電壓上升，B2的電壓迅速下降以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移。約0.5 s后，所有電壓趨于滿足平衡條件，均衡模塊停止工作，均衡完成。

圖15 電池組靜置過(guò)程中各電池的電壓變化

由仿真試驗(yàn)結(jié)果可以看出，如圖8所示的均衡電路可以很好地實(shí)現(xiàn)均衡功能。這個(gè)均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，容易擴(kuò)展，可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。但是，這種電路只能在相鄰的電池之間傳遞能量。當(dāng)串聯(lián)的電池?cái)?shù)量較多，或要轉(zhuǎn)移的目標(biāo)電池相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，需要多次能量轉(zhuǎn)移才能達(dá)到均衡狀態(tài)，導(dǎo)致均衡時(shí)間較長(zhǎng)。但與耗散式均衡電路相比，這種均衡電路可降低大部分的能量損失，有效地提高電池組的可用容量。

5 小結(jié)與討論

本研究對(duì)部分現(xiàn)有非耗散式均衡方案進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析，對(duì)現(xiàn)有方案改進(jìn)后提出了一種雙向均衡方案，該方案利用了其他耗散式方案浪費(fèi)的約3.2%的能量，有效地提高了電動(dòng)汽車的續(xù)航能力。經(jīng)過(guò)PSIM軟件仿真進(jìn)一步驗(yàn)證了本研究提出的雙向非耗散式均衡方案的可行性。

現(xiàn)有電動(dòng)汽車的能量均衡方案主要以能量耗散式均衡方向?yàn)橹?，若采用本研究提出的非耗散式均衡方案，續(xù)航里程可提升約3.2%。市面上常見的電動(dòng)汽車如特斯拉Model S，寶馬i3，福特Fusion等型號(hào)均采用被動(dòng)均衡方案，以特斯拉Model S Plaid版為例，其預(yù)估續(xù)航里程為637 km，若使用本研究提出的均衡方案，預(yù)計(jì)可增加20.38 km以上續(xù)航里程，較好地回收了能源，使其得到再利用。

此外，還有一些問(wèn)題值得探討。由于電芯生產(chǎn)存在差異性，需要更多地關(guān)注所選電芯的差異。Wildfeuer和Lienkamp等的研究表明[4]，電池的容量差約為0.2%～0.3%，如果電池存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，電池的老化會(huì)導(dǎo)致容量變化加倍[22]。因此，建議在構(gòu)建大規(guī)模電池組時(shí)，使用抗老化能力更強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)電芯，同時(shí)盡量選取生產(chǎn)日期較近的電芯，由此可獲得更優(yōu)秀的續(xù)航表現(xiàn)。

通過(guò)對(duì)多電芯電池組模擬結(jié)果的分析，可以看出，平衡速度受到能量傳輸距離的影響。這表明在構(gòu)建電池組時(shí)，可以采用快速檢測(cè)電池容量并將容量相近的電池相互連接的方式，可有效提高平衡速度。其次，可以增加使用一些具有長(zhǎng)距離快速能量傳輸?shù)钠胶饨鉀Q方案，但這些解決方案通常在電路上比較復(fù)雜，建造成本較高，需要考慮經(jīng)濟(jì)性。

非耗散式能量均衡電路應(yīng)成為電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)的一部分。隨著電池組的多次循環(huán)，這個(gè)差異會(huì)更大。在極端情況下，這將嚴(yán)重影響電池組的正常運(yùn)行和車輛的安全。采用非耗散式平衡方案可再次利用被浪費(fèi)的能量，并在多種狀態(tài)下平衡電池能量，延長(zhǎng)電池組的壽命，具有重要意義。