一種基于電池組放電特性的電池管理系統(tǒng)

楊湘江，　蔣回蓉(.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京009；.北京航空航天大學(xué)，北京009)

一種基于電池組放電特性的電池管理系統(tǒng)

楊湘江1，蔣回蓉2
(1.中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京100192；2.北京航空航天大學(xué)，北京100191)

針對(duì)目前電動(dòng)汽車應(yīng)用中存在的實(shí)際問(wèn)題，探討了電動(dòng)汽車電池組放電效率的提高與負(fù)載的關(guān)系，為車輛負(fù)載的合理分配提供參考依據(jù)。通過(guò)對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車電池組收費(fèi)時(shí)的換電計(jì)量方案和車載電子式電能表的計(jì)量結(jié)果比較，探求了電動(dòng)車輛耗電計(jì)量的方法。針對(duì)電動(dòng)汽車電池組提出了一種電源管理方案，有助于保持電池組內(nèi)各單體電池放電時(shí)的電量平衡，提高電池的利用率。

電動(dòng)汽車；電池管理；電量平衡

當(dāng)前，以開發(fā)和推廣電動(dòng)車為主要內(nèi)容的綠色汽車工程正在世界范圍內(nèi)展開。然而作為電動(dòng)汽車動(dòng)力源的電池仍存在續(xù)航時(shí)間短、充電時(shí)間長(zhǎng)、效率有待提高等問(wèn)題，極大地限制了電動(dòng)汽車發(fā)展。同時(shí)，國(guó)家電網(wǎng)確定的“換電為主、插電為輔、集中充電、統(tǒng)一配送”的電動(dòng)汽車基本“換電模式”，有利于協(xié)調(diào)波谷電力供應(yīng)平衡，降低電動(dòng)汽車消費(fèi)者的使用成本[1-2]?！皳Q電模式”可大大縮短用戶等待充電和更換電池的時(shí)間，但電動(dòng)汽車電池放電由于受負(fù)載環(huán)境影響而存在不確定性，電量也難以精確計(jì)量。目前的“換電模式”按照行駛里程進(jìn)行計(jì)費(fèi)，駕駛員的操作方式、路況及再生制動(dòng)過(guò)程等對(duì)電動(dòng)汽車的耗電和計(jì)量有很大影響。另一方面，電池組作為單體電池的組合，在放電過(guò)程中會(huì)存在不平衡放電的問(wèn)題，為避免電池組放電的短板效應(yīng)，放電平衡問(wèn)題也亟待解決[3]。

針對(duì)當(dāng)前電動(dòng)汽車電池組使用過(guò)程中有待改進(jìn)的一系列問(wèn)題，本文主要研究了如下內(nèi)容：負(fù)載變化對(duì)電池組放電能力的影響；電池組輸出功率變化下現(xiàn)行換電計(jì)量模式的誤差與弊端；針對(duì)電池組特性提出一種電源管理方案，以求解決電池組內(nèi)電池單體間放電不平衡的問(wèn)題。從而為解決電池組電量計(jì)量糾紛，改進(jìn)電池組性能等問(wèn)題提供理論和參考依據(jù)。

1 不同負(fù)載對(duì)電池放電效率的影響

電動(dòng)汽車電池由于載荷的不同會(huì)影響到電源的放電效率。研究電動(dòng)汽車負(fù)載變化對(duì)電源效率的作用，若直接以大型電動(dòng)車蓄電池組為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不僅對(duì)設(shè)備要求高，安全性差，數(shù)據(jù)量大，也不便于深入地探討單個(gè)電池的電能特性。因此，本文結(jié)合了仿真分析與縮比模型實(shí)驗(yàn)?zāi)M對(duì)電池組的放電過(guò)程進(jìn)行研究。首先，以小型鋰電池組(3S)作為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的縮比實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別以不同的放電倍率放電以模擬不同的等效負(fù)載，得到電池放電電壓隨放電深度的變化規(guī)律，通過(guò)比較各恒流放電情況下的放電效果曲線，確定車輛等效負(fù)載與電池放電能力的關(guān)系，從而探索提高電池利用率的方法，并進(jìn)而降低消費(fèi)者使用電池的成本。

鋰離子電池的放電特性主要由放電電壓參數(shù)衡量，而等效負(fù)載的大小則通過(guò)恒流放電的負(fù)載電流來(lái)體現(xiàn)。通過(guò)適當(dāng)調(diào)整負(fù)載，可以保證單次放電的電流基本不變。實(shí)驗(yàn)采用HYPERION-3S鋰離子電池，實(shí)驗(yàn)原理如圖1所示。

每組實(shí)驗(yàn)完后，將實(shí)驗(yàn)電池充電至初始狀態(tài)。通過(guò)調(diào)整負(fù)載，使鋰電池放電電流分別為1C、4.5C、9C、14C和18C，一共進(jìn)行5組實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中電壓的變化曲線如圖2所示。

每次實(shí)驗(yàn)期間電池放電量Q為：

圖1　鋰離子放電能力與負(fù)載關(guān)系實(shí)驗(yàn)原理

圖2　　不同負(fù)載條件下鋰電池的放電特性(25℃)

根據(jù)圖2中不同放電倍率下放電終點(diǎn)的位置，可以看出1C放電比其他情況下(放電倍率大于1C)，有效放電容量明顯變大。

當(dāng)鋰離子電池分別以0.434 78C(模型理想放電倍率)和9C(約19.8 A)的放電倍率恒流放電，得到Matlab仿真效果如圖3、圖4所示。

圖4　9C放電電壓與容量變化關(guān)系曲線

根據(jù)圖3和圖4可以看出：不同放電電流下，隨著等效負(fù)載的變大，鋰電池能放出的總電量逐漸變小。實(shí)際車輛行駛過(guò)程中，加速過(guò)程或其他負(fù)載較大時(shí)，動(dòng)力鋰電池組的放電電流和功耗都會(huì)變大，而減速時(shí)再生制動(dòng)對(duì)電能的回收則較有限，因此當(dāng)初始條件相同時(shí)，負(fù)載的加大會(huì)在一定范圍內(nèi)使電源效率降低，電動(dòng)車航程變小。但電動(dòng)車加速的結(jié)果也可以使汽車在高速行駛時(shí)獲取更大的航程，因此，如何根據(jù)負(fù)載獲取合理的加速結(jié)果，需綜合考慮車身阻力、車身質(zhì)量、機(jī)動(dòng)車電池自身特性、再生制動(dòng)效率等諸多因素的影響。

2 電源輸出功率波動(dòng)對(duì)計(jì)量的影響

由于當(dāng)前“換電模式”的計(jì)量誤差問(wèn)題易導(dǎo)致一系列權(quán)益問(wèn)題，因此，對(duì)新型車載電子式電能表計(jì)量方案的研究也非常迫切。根據(jù)電子式電能表的計(jì)量原理，準(zhǔn)確測(cè)量波動(dòng)負(fù)載電能損耗的關(guān)鍵在于其乘法器的響應(yīng)速度與其量程的大小。如果乘法器響應(yīng)周期遠(yuǎn)小于負(fù)載功率的變化周期，量程覆蓋沖擊性負(fù)載下的最大電壓與最大電流，那么電能表就可以對(duì)沖擊性負(fù)載消耗的電能進(jìn)行較為精確的計(jì)量。計(jì)量結(jié)果將會(huì)有較大的誤差。

為研究電動(dòng)汽車在典型負(fù)荷下對(duì)車載電子式電能表的計(jì)量影響，在確定的放電周期(T)內(nèi)對(duì)功率分析儀獲取的負(fù)載功率進(jìn)行積分，得到參考能耗值Q，同時(shí)讀取電子式電能表的計(jì)量結(jié)果，可得計(jì)量誤差E。

實(shí)驗(yàn)原理如圖5所示，隨機(jī)抽取5個(gè)實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)的計(jì)量誤差分布如圖6所示。

圖5　電能計(jì)量誤差分析實(shí)驗(yàn)原理

圖6　電能計(jì)量誤差統(tǒng)計(jì)

電子式電能表由于A/D采樣過(guò)程、濾波器和乘法器的使用決定了其計(jì)量誤差不可避免，車載電能表計(jì)量過(guò)程則還綜合了沖擊載荷、諧波及電壓波動(dòng)引起的誤差。本文進(jìn)行縮比模型實(shí)驗(yàn)時(shí)，負(fù)載情況包含了實(shí)際電動(dòng)車的負(fù)載情況。實(shí)際路況相對(duì)于縮比情況而言，電能表原始誤差變化很小，波動(dòng)情況下有功功率與能耗則會(huì)成倍增加，功率波動(dòng)加大會(huì)對(duì)誤差有放大作用，但是波動(dòng)周期的加大反而提高了采用精度，因此相對(duì)于縮比模型，實(shí)際電動(dòng)車的車載電能表的誤差并不會(huì)因負(fù)載的增大而成倍放大，這個(gè)結(jié)果可為后續(xù)研究做參考。

3電動(dòng)汽車電源管理與優(yōu)化

由于電動(dòng)車電池組一般是多個(gè)電池單體的組合，需同時(shí)滿足電動(dòng)機(jī)、車燈等多個(gè)用電子系統(tǒng)不同的輸出需求。電池組為了實(shí)現(xiàn)其組內(nèi)各電池放電的平衡并提高單個(gè)電池的放電效率，仍面臨一些亟待解決的問(wèn)題。通常，組合成電動(dòng)車電池組的多個(gè)電池單體，由于受電池制造工藝和其他生產(chǎn)差異的影響，在電池組內(nèi)放電速度會(huì)有不同，從而導(dǎo)致電池組出現(xiàn)短板效應(yīng)，使電池組的有效使用壽命減少。本研究提出了一種基于電池組平衡放電的電源管理方案，如圖7所示。

電動(dòng)車電源系統(tǒng)配置n個(gè)電池單體，并通過(guò)電池替換實(shí)

圖7　　電源管理參考方案

現(xiàn)電池組充放電平衡，系統(tǒng)內(nèi)電池單體數(shù)目n滿足：

可先在系統(tǒng)內(nèi)尚未連接供電的電池中選取電量差異小于某一閾值的一組電池單體，組合后為系統(tǒng)供電。按某一時(shí)間間隔對(duì)供電電池單體的電量數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量與更新，當(dāng)接入汽車電路系統(tǒng)中的某個(gè)電池單體的電量值與電池組中電池的平均電量值的差大于另一閾值Qm2時(shí)，在從未連接供電的電池單體中選取滿足電量條件的電池，控制開關(guān)矩陣中其對(duì)應(yīng)開關(guān)的通斷，替換原有低(高)電量電池，從而保證系統(tǒng)電池組的供電平衡。電動(dòng)車電源系統(tǒng)也可以直接提供用戶所需的多路輸出。

電源系統(tǒng)通過(guò)一定算法對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，確定電池組合方案，隨后控制開關(guān)矩陣中相應(yīng)開關(guān)的通斷，即可將電池單體組合成電動(dòng)汽車所需電源。當(dāng)然，電池?cái)?shù)據(jù)的采集及解算算法有待具體和完善。

4 結(jié)論

本文針對(duì)電動(dòng)汽車電池組在不同負(fù)載情況下的計(jì)量準(zhǔn)確性問(wèn)題，采用縮比模型進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)分析了縮比模型在不同等效負(fù)載下的特性，定性地驗(yàn)證了大負(fù)載對(duì)于提高電源效率的不利影響，并針對(duì)車載電子式電能表的計(jì)量特性進(jìn)行了討論，為電子式計(jì)量應(yīng)用提供理論依據(jù)，最后提出了為優(yōu)化電源特性的平衡放電方法，可以在電動(dòng)車電源系統(tǒng)及其他用電系統(tǒng)上得到推廣，但仍需進(jìn)一步探求具體實(shí)施方法。

[1]高賜威，吳茜.電動(dòng)汽車換電模式研究綜述[J]．電網(wǎng)技術(shù)，2013，37(4)：891-897.

[2]劉堅(jiān).電動(dòng)汽車充電方式和商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式初探[J]．汽車工程師，2011(1)：19-22．

[3]WEN S H.Cell balancing buys extra run time and battery life[J]. Analog Application Journal,2009(10):14-18.

Battery management system based on discharging characteristics of battery pack

YANG Xiang-jiang1，JIANG Hui-rong2
(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;2.Beihang University,Beijing 100191,China)

Considering the practical issues existing in the application of electrical vehicles,the relationship between the battery's discharging efficiency and the load was discussed.Then an energy measuring method was propossed by studying the comparison of the power meter's measuring result and the battery exchange mode.Finally,a battery management system was developed to eliminate the cell imbalance among the battery cells,to improve the battery efficiency,and to optimize the performance of the electrical vehicles.

electrical vehicle;battery management；electricity balance

TM 912

A

1002-087 X(2016)01-0108-02

2015-06-15

楊湘江(1965—)，男，湖南省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)橛秒娪?jì)量技術(shù)。