鋰電池均衡管理控制策略研究

重慶交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院 重慶 400074

1 研究背景

鋰電池相比鉛酸蓄電池,具有比能量高、自放電率低、體積小、熱效應(yīng)弱、無記憶性、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),是電動(dòng)汽車首選的動(dòng)力源[1]。隨著鋰電池電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展,鋰電池的安全性能要求越來越高。鋰電池組由單體鋰電池串聯(lián)而成。由于受鋰電池自身和生產(chǎn)加工的制約,單體鋰電池存在電阻、電壓、容量等方面的差異,加之電池組裝順序不同,以及產(chǎn)生熱量后的散熱速率、自放電速率等差異,造成鋰電池組在使用時(shí)存在單體鋰電池參數(shù)不一致,進(jìn)而對(duì)鋰電池組的使用壽命和效率產(chǎn)生影響。在解決鋰電池組不一致性問題時(shí),除了控制生產(chǎn)加工程序外,還需要進(jìn)行鋰電池均衡管理控制[2]。筆者對(duì)鋰電池均衡管理控制策略進(jìn)行研究。

主動(dòng)型和被動(dòng)型是目前鋰電池均衡管理控制策略的兩種主要形式。被動(dòng)型均衡管理控制策略也稱耗散型均衡管理控制策略,在每個(gè)單體電池上并聯(lián)一個(gè)可控的電阻進(jìn)行分流,將容量大的電池中多余的電量以熱量的形式消耗掉,實(shí)現(xiàn)整組電池電壓的均衡。主動(dòng)型均衡管理控制策略主要利用電路拓?fù)溟_關(guān)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行融合,實(shí)現(xiàn)電量的轉(zhuǎn)移,分為電量消耗型均衡管理控制策略和非電量消耗型均衡管理控制策略。電量消耗型屬于電量浪費(fèi),非電量消耗型則是通過儲(chǔ)能元件將電量多的部分傳遞給電量較少的電池。非電量消耗型均衡管理控制策略中,均衡電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制難度較大,但是能夠減少電量的浪費(fèi),降低電池?zé)峁芾淼碾y度,是當(dāng)今電池均衡管理控制策略研究的重點(diǎn)[3]。

2 被動(dòng)型均衡管理控制策略

被動(dòng)型均衡管理控制策略通過將電阻并聯(lián)在電路中,以熱量的形式消耗掉單體電池中高于其它單體電池的電量。常見的被動(dòng)型均衡管理控制策略有固定電阻分流法和開關(guān)電阻分流法,分別如圖1、圖2所示。

圖2 開關(guān)電阻分流法均衡管理控制策略

被動(dòng)型均衡管理控制策略中,均衡電路簡單,成本低,易于模塊化,但是多余的電量會(huì)轉(zhuǎn)換為熱量形式散失,進(jìn)而造成電能浪費(fèi),同時(shí)還會(huì)增加電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的負(fù)擔(dān),降低電池組的容量。此外,被動(dòng)型均衡管理控制策略不能有效控制每一個(gè)單體電池,會(huì)造成實(shí)際容量衰減,縮短循環(huán)壽命,并且在大容量電池組中進(jìn)行均衡的效率較低,完成電池組均衡的時(shí)間較長。針對(duì)以上缺點(diǎn),徐磊[4]提出一種變電阻均衡充電方案,在每個(gè)單體電池兩端并聯(lián)阻值可變的電阻,根據(jù)單體電池電壓差大小控制均衡電阻值,進(jìn)而使電池端電壓達(dá)到一致。

3 主動(dòng)型均衡管理控制策略

3.1 控制策略概述

應(yīng)用主動(dòng)型均衡管理控制策略,在充放電過程中,當(dāng)單體電池的電壓達(dá)到閾值時(shí),通過控制開關(guān)使電路中的充電電流不流通該單體電池,即將該單體電池從整個(gè)電池組中進(jìn)行旁路。對(duì)所有電壓達(dá)到閾值的單體電池進(jìn)行以上操作,直至所有電池充滿電。張風(fēng)燕等[5]提出一種基于模塊旁路與鎖定接入的智能均衡控制策略,在保證等效兩電平輸出的前提下,實(shí)現(xiàn)電池電量的快速均衡控制。華彬等[6]提出一種改進(jìn)的鋰電池主動(dòng)充電均衡方案,以諧振電路為主,利用諧振軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電流導(dǎo)通和截止,并通過輔助二極管均衡模塊來解決諧振電路均衡后期電流過小的問題,達(dá)到充電過程的主動(dòng)均衡。在研究中,應(yīng)用MATLAB/Simulink軟件建立均衡電路模型,通過仿真分析,確認(rèn)均衡效率得到了顯著提高,電池之間的不一致性得到了明顯改善。

3.2 電容式

傳統(tǒng)的電容式均衡管理控制策略可以分為飛渡電容式和開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電容式兩種[7],分別如圖3、圖4所示。

圖3 飛渡電容式均衡管理控制策略

電容式均衡管理控制策略利用電容儲(chǔ)存元件結(jié)合電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)電池組中電量高的單體電池電量轉(zhuǎn)移至電量相對(duì)較低的單體電池[8]。采用這一策略,如果相鄰兩個(gè)單體電池間電壓較低,那么會(huì)使均衡時(shí)間延長,而且過多的開關(guān)會(huì)消耗較大的電量,造成浪費(fèi),并且使均衡效率變低[9]。趙漢賓等[10]提出改進(jìn)型飛渡電容式動(dòng)態(tài)均衡管理控制策略,利用率和實(shí)際容量相比改進(jìn)前均提高兩倍以上。通過分析開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電容式均衡管理控制策略的均衡效率問題,可以得出均衡電流與電池初始荷電狀態(tài)差、電池性能、電路總阻抗和充放電穩(wěn)定時(shí)間有關(guān),與電容值無關(guān)[11]。

圖4 開關(guān)網(wǎng)絡(luò)電容式均衡管理控制策略

3.3 電感式

電感式均衡管理控制策略原理與電容式均衡管理控制策略類似。在電路中,電感作為儲(chǔ)能元件,用于轉(zhuǎn)移電量。Cao等[12]提出一種基于電感的主動(dòng)均衡電路,實(shí)現(xiàn)了相鄰單體電池之間的電量轉(zhuǎn)移,電路中的開關(guān)由功率大小控制導(dǎo)通與關(guān)斷。均衡時(shí)電量在相鄰單體電池間轉(zhuǎn)移,經(jīng)過多個(gè)循環(huán)后可以使整個(gè)電池組各單體電池電壓趨于一致,但是均衡速度受到一定限制,并且這樣做對(duì)不需要充電的單體電池也進(jìn)行了多次充放電,無形中縮短了電池的使用壽命[13]。趙立勇等[14]提出在電感電流斷續(xù)模式下,使用電池自身的電壓作為驅(qū)動(dòng)的外部電源,實(shí)現(xiàn)相鄰單體電池之間的均衡。這種均衡方式具有體積小、成本低、效率高等特點(diǎn)。

3.4 DC/DC變換器式

張旭升[15]提出了一種基于DC/DC變換器的均衡管理控制策略,并給出了均衡電路的主要參數(shù),同時(shí)在MATLAB/Simulink軟件中進(jìn)行了仿真試驗(yàn),驗(yàn)證了這一策略的可行性。李瑞生等[16]對(duì)DC/DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究,比較了幾種電池組均衡方法,設(shè)計(jì)了開關(guān)陣列和雙向變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上提出了一種主動(dòng)均衡系統(tǒng)。這一均衡系統(tǒng)由電池組、開關(guān)陣列、雙向DC/DC變換器、數(shù)據(jù)采集單元和控制單元組成。此外,DC/DC變換器式均衡管理控制策略在延長電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程方面具有積極的作用[17]。

4 混合式均衡管理控制策略

將多種均衡管理控制策略的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來,形成混合式均衡管理控制策略,可以提高電池組的均衡速度和效率。朱浩等[18]提出一種結(jié)合單體電池間被動(dòng)型均衡管理控制策略與電池組間利用儲(chǔ)能電感進(jìn)行主動(dòng)均衡的混合式均衡管理控制策略。林小峰等[19]提出一種雙層結(jié)構(gòu)的主動(dòng)型均衡管理控制策略,分別控制底層雙向Buck-Boost電路和頂層反激式變換器電路開關(guān)的通斷,實(shí)現(xiàn)電量的轉(zhuǎn)移,進(jìn)而達(dá)到均衡。薛力升等[20]提出兩級(jí)混合式均衡管理控制策略,第一級(jí)采用電感式均衡電路,通過儲(chǔ)能電感轉(zhuǎn)移電量,第二級(jí)采用獨(dú)立變換器并聯(lián)均衡電路。這種控制策略的優(yōu)點(diǎn)為均衡時(shí)間短、效率高。

5 結(jié)束語

鋰電池均衡管理控制策略對(duì)于提高電動(dòng)汽車電池的壽命和效率而言,具有重要的意義。當(dāng)單體電池之間電壓差異非常微小時(shí),可以采用被動(dòng)型均衡管理控制策略。在電動(dòng)汽車行駛過程中,電池組之間會(huì)產(chǎn)生不一致性,此時(shí)在模組之間可以采用電感式、DC/DC變換器式、電容式等主動(dòng)型均衡管理控制策略,以實(shí)現(xiàn)快速均衡。

混合式均衡管理控制策略結(jié)合了各種均衡管理控制策略的優(yōu)點(diǎn),可以優(yōu)化均衡電路的結(jié)構(gòu),使均衡效率最高,并且可以實(shí)現(xiàn)均衡方式的精細(xì)化,減少電量的浪費(fèi)。對(duì)常見的電池均衡管理控制策略進(jìn)行研究并進(jìn)行組合,進(jìn)而得到一種最優(yōu)的混合式均衡管理控制策略,是未來的研究重點(diǎn)。