主動均衡技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用效果研究

宋金龍

摘 要：動力電池組在使用過程中，電池性能的差異性會不斷惡化，這不僅降低了動力電源的使用壽命，也大大降低了電動車輛的續(xù)航里程，針對這一問題，文章通過開關(guān)矩陣形成多通道雙向DC/DC均衡回路，設(shè)計出聯(lián)合變量的主動均衡控制系統(tǒng)，在此系統(tǒng)上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，分析與驗(yàn)證了其主動均衡技術(shù)的有效性與可行性。

關(guān)鍵詞：續(xù)航里程；開關(guān)矩陣；多通道雙向DC/DC；聯(lián)合變量；主動均衡控制系統(tǒng)

引言

自2013年國內(nèi)鋰電行業(yè)呈現(xiàn)出繁榮景象，大量的鋰電池通過串并聯(lián)組成的鋰離子動力電池組為車輛行駛提供動力。鋰電池在充放電平臺電壓非常穩(wěn)定，一旦接近充放電末端電壓急劇變化，所以動力電池在充電后期與放電后期電壓一致性會惡化。隨著動力電池組的使用，各節(jié)單體電池的電量不一致性也會越來越大。按照“木桶原理”，電池組充放電的容量取決于單體電池容量最小的。所以鋰離子動力電池組一致性越差，可使用的能量就越少，造成動力電池組充不滿、放不完的尷尬局面。主動均衡技術(shù)正是通過電池間進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)移而提高電池組一致性，不僅在原有基礎(chǔ)上增加車輛的續(xù)航里程，而且也增加了動力電池組的使用壽命。

1 主動均衡控制策略

由于鋰電池自身的化學(xué)性質(zhì)決定了鋰電池電壓不能太高，也不能太低，否則電池內(nèi)部產(chǎn)生不可逆的化學(xué)反應(yīng)致使電池報廢。（以某企業(yè)鋰電池為例），在充電過程中，出現(xiàn)串聯(lián)電池電壓上升至3.75V，動力電池組充電截止；如果這是動力電池組壓差比較大，那么肯定就有一些電池還沒有充滿。電動車輛在行駛過程中，動力電池組放電，如果有單體電池率先降至2.5V，動力電池組將降至斷開，不再給車輛提供能量。同理，放電過程中有單體較快速降至2.5V，而其余絕大部分電池還在3.0V以上，還有相當(dāng)能量無法被使用。所以主動均衡技術(shù)以單體電壓作為控制變量，又由于在電池性能劣化后，往往在充放電平臺期的時候，電池電壓高的電池有時候并不一定是容量大的電池，所以把電池容量作為輔助控制變量對電壓均很作為補(bǔ)充很有必要。以容量與電壓作為控制變量的主動均衡聯(lián)合控制原理框圖如圖1所示。由于單體容量無法測得，我們采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)擬合電池容量。采用三輸入一輸出，電池電壓、電流、電池溫度為輸入，單體電池容量為輸出。

2 主動均衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計的雙向集中式主動均衡系統(tǒng)是與傳統(tǒng)BMS采集監(jiān)控系統(tǒng)為一體，在電池極柱上增設(shè)了主動均衡線，以構(gòu)建主動均衡回路。圖2通過開關(guān)矩陣可以實(shí)現(xiàn)雙向多通道均衡，多節(jié)電池之間充電或者放電能力。圖2中的主動均衡回路具體由電池動力組、均衡矩陣開關(guān)、雙向DC/DC模塊、12V直流母線五部分組成。黑色線框?qū)儆陔姵鼐饽K，以圖中的箭頭為例，說明了第7串電池通過12V直流母線對第4串電池進(jìn)行充電。其中，雙向DC/DC模塊與接電池組一端是2A的恒流源、接直流母線一端乃是電壓源。6個電池為均衡通道，每個通道最多只有1支電池進(jìn)行主動均衡充電或者放電，均衡工作周期為65S，具體為均衡1min后5S停止均衡，這5S重新判斷均衡是否開啟以及根據(jù)均衡策略通過均衡矩陣開關(guān)形成相應(yīng)的均衡回路。

3 主動均衡技術(shù)實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用效果

均衡系統(tǒng)是在24串60Ah的電池組成的14個電池箱基礎(chǔ)上，采用1C恒流充轉(zhuǎn)恒壓充與1C恒流放電進(jìn)行試驗(yàn)。未加均衡前，以此實(shí)驗(yàn)步驟獲取初始容量以及初始末端壓差等指標(biāo)，加裝主動均衡后，對同一箱子以進(jìn)行多次同樣的實(shí)驗(yàn)。圖3、圖4分別反應(yīng)了主動均衡前后容量對比以及末端放電壓差對比。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，由于主動均衡系統(tǒng)的介入，電池一致性均得到大幅提高。電池的離散型取得比較好的控制，每一箱電池的容量也都有所增加。

4 結(jié)束語

文章采用單體容量與單體電壓作為聯(lián)合變量進(jìn)行控制，設(shè)計多通道雙向DC/DC主動均衡產(chǎn)品，并進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，從中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看出，隨著充放電均衡，電池箱容量得到提升，即每次充足電后的可放出容量增加了，同時出充/放電電壓差異也減少。在鋰電行業(yè)繁榮的背景下并結(jié)合鋰電池自身性能，主動均衡技術(shù)將擁有很大的市場潛力。

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