磷酸鐵鋰電池荷電均衡管理的仿真計(jì)算

曾契

摘 要：在綜述磷酸鐵鋰鋰離子電池特性的基礎(chǔ)上，研究了該型動(dòng)力電池的電壓回彈以及滯回特性，建立了磷酸鐵鋰電池的仿真計(jì)算模型，并使用此模型對(duì)荷電狀態(tài)（State of Charge，? SoC）進(jìn)行了估算。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了一種單電感電池荷電狀態(tài)均衡管理方案，獲得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池;荷電狀態(tài);均衡管理;應(yīng)用研究

前言

目前，以電能為動(dòng)力的電動(dòng)汽車的廣泛應(yīng)用對(duì)環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生了積極的效果，取得了較大的社會(huì)效益。但電動(dòng)汽車在日常使用過(guò)程中逐步暴露出了大量的問(wèn)題，其中以動(dòng)力電池管理系統(tǒng)方面的問(wèn)題尤為嚴(yán)重?；诖耍诔浞盅芯縿?dòng)力電池的滯回特性以及回彈特性的基礎(chǔ)上，使用相關(guān)仿真軟件對(duì)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行建模研究，對(duì)電池的荷電狀態(tài)SoC進(jìn)行仿真估算，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)電池的荷電均衡管理方案，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力電池的有效管理與高效應(yīng)用，從而取得更高效利用動(dòng)力電池的有益目標(biāo)。

一、磷酸鐵鋰電池的概述

磷酸鐵鋰鋰離子電池簡(jiǎn)稱磷酸鐵鋰電池，是一種在電動(dòng)汽車上普遍使用的鋰離子電池。鋰離子動(dòng)力電池是一種新型高能電池，它具有工作電壓高（能達(dá)到3.6V）、重量輕、體積小、比能量高（可達(dá)150W·h/Kg）、使用壽命長(zhǎng)（循環(huán)充電次數(shù)可達(dá)3000次）、工作范圍寬（可在-40℃～+55℃工作）、污染小、無(wú)記憶等優(yōu)點(diǎn)。

鋰離子動(dòng)力電池一般采用石墨等作為負(fù)極，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰等作為正極，以含氟鋰鹽的有機(jī)溶液為電解液的一種電池。鋰離子動(dòng)力電池可以依據(jù)其正極所用材料的不同，分成沽酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池等，其中磷酸鐵鋰電池（LiFePO₄）因其性價(jià)比最高被廣泛使用。磷酸鐵鋰電池的充放電反應(yīng)如下：

LiFePO₄電池的額定電壓為3.2V，終端充電電壓為3.6V，終端放電電壓為2.0V。磷酸鐵鋰電池作為新型動(dòng)力鋰電池，因其優(yōu)點(diǎn)眾多，性價(jià)比高，對(duì)它的開(kāi)發(fā)、研究也在不斷的深入，使它成為了未來(lái)最有競(jìng)爭(zhēng)力的動(dòng)力電池之一。

二、磷酸鐵鋰電池的計(jì)算模型

（一）電壓滯回特性和回彈特性

鋰離子電池是一種具有電壓的滯回和回彈特性高能電池。是由于鋰電池采用了非水溶劑作為電解液，它的電導(dǎo)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于使用水溶劑的電解液，較低的電導(dǎo)率使得鋰離子電池在以較大電流放電時(shí)，非水溶劑電解液無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充足夠的鋰離子，因此導(dǎo)致電池電壓下降，當(dāng)電池中的電流為零時(shí)，也就是電池停止放電時(shí)，鋰離子會(huì)發(fā)生一系列變化，從而重新讓電池回至平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象就叫鋰電池回彈電壓特性。

圖1所示帶有電壓回彈、滯回特性的等效電路模型能準(zhǔn)確模擬磷酸鐵鋰電池的特性。

如圖，EMF是一個(gè)受控電壓源，它由電池的SoC控制，另一個(gè)受控電壓源Vh受電池的SoC和充放電狀態(tài)（即充或放電滯回）同時(shí)控制。

在充分研究動(dòng)力電池的滯回特性以及回彈特性的基礎(chǔ)上，使用計(jì)算和仿真功能都非常強(qiáng)大matlab/simulink軟件對(duì)磷酸鐵鋰電池搭建了的模型，并進(jìn)行了分析計(jì)算。

（二）磷酸鐵鋰電池模型的建立

參考前面建立的磷酸鐵鋰電池電壓模型，由于電池荷電狀態(tài)SoC與滯回電壓Vh和電池的平衡電動(dòng)勢(shì)EMF存在非線性關(guān)系，經(jīng)過(guò)分析得出下面所示的數(shù)學(xué)關(guān)系。在下面等效的數(shù)學(xué)關(guān)系中，EMF、Vh和RΩ分別表示平衡電動(dòng)勢(shì)、滯回電壓和電池的內(nèi)阻，電池的回彈特性使用Rs、CS、Rm、Cm、Rl、Cl組成的三階RC網(wǎng)絡(luò)表示。該磷酸鐵鋰電池仿真模型除了可以實(shí)時(shí)的計(jì)算出荷電狀態(tài)SoC外，還可以計(jì)算出電池的開(kāi)路電壓OCV和工作電壓VB。

等效電壓源部分的數(shù)學(xué)關(guān)系如公式（1）所示。

（1）

式中，Qrated表示動(dòng)力電池的額定容量。當(dāng)滯回電壓Vh為正時(shí)代表電池在充電，當(dāng)Vh為負(fù)是代表電池在放電。

等效阻抗部分的數(shù)學(xué)關(guān)系如公式（2）所示。

（2）

根據(jù)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的模型及模型中電路的數(shù)學(xué)關(guān)系，在matlab/simulink 軟件中搭建了仿真計(jì)算模型，如圖2所示。

三、磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)的估算

（一）動(dòng)力電池荷電狀態(tài)的定義

當(dāng)電池在使用一段時(shí)間或者長(zhǎng)時(shí)間擱置不用后電池的電荷容量和能量會(huì)下降，這時(shí)電池所在的狀態(tài)稱為電池荷電狀態(tài)。從不同的角度去定義荷電狀態(tài)SoC，那么其估算策略和計(jì)算公式也就有所不同，有的研究者從電荷容量角度有的從能量角度去定義。本文認(rèn)為以電荷容量來(lái)定義電池荷電狀態(tài)較為準(zhǔn)確，即在一定條件下，電池剩余電荷容量與其額定電荷容量的比值，見(jiàn)公式（3）所示。

（3）

式中，Qrated和Qremain分別表示電池的額定電荷容量和剩余的電荷容量，單位都為A·h。

（二）動(dòng)力電池電壓和電流的檢測(cè)

圖3為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池電流監(jiān)測(cè)方案。本方案設(shè)計(jì)了分流器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組流經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換器的小電流，采用了霍爾式傳感器來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流經(jīng)電機(jī)控制器輸入給電機(jī)的大電流，傳感器和分流器把監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)诫娏鞅O(jiān)測(cè)模塊模塊中，并最終傳遞給BCU模塊。

電動(dòng)汽車需要較強(qiáng)的動(dòng)力供給，因此其動(dòng)力電池組需要把數(shù)量眾多動(dòng)力電池串聯(lián)起來(lái)，要實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池組電壓的監(jiān)測(cè)難度較大、工作復(fù)雜且耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前最好的方法是采用一種專用芯片去采集電池組電壓，電壓采集精度與芯片有關(guān)。經(jīng)過(guò)分析論證，本案采用了性價(jià)相對(duì)較高LTC6802芯片，此芯片A/D轉(zhuǎn)換分辨率較高（1mv），電壓采集精度高且誤差較?。ú怀^(guò)8mv），A/D轉(zhuǎn)換仍屬于輪詢收集方法。能夠滿足要求。

在動(dòng)力電池組工作時(shí)，能夠比較方便準(zhǔn)確地測(cè)量電池組的工作電壓，所以采用電池組的工作電流作為系統(tǒng)的激勵(lì)，采用卡爾曼濾波算法即可獲得動(dòng)力電池的荷電狀態(tài)。

四、磷酸鐵鋰電池的均衡管理

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的均衡管理，設(shè)計(jì)了一種單電感的均衡管理方案。當(dāng)磷酸鐵鋰電池組中電池的容量差異達(dá)到或超過(guò)了設(shè)定的最大值或者已經(jīng)影響到電池組的正常工作時(shí)，搭建的系統(tǒng)就開(kāi)始工作，逐步讓每塊電池的容量變得均衡，方案如圖4所示。

在matlab/simulink中，用建立的電池模型對(duì)該單電感均衡方案進(jìn)行封裝，并搭建如下的仿真模型，對(duì)改進(jìn)的均衡管理方案進(jìn)行驗(yàn)證。

設(shè)定兩組電池的荷電狀態(tài)分別為SoC1=95%，和SoC2=90%，仿真結(jié)果表明250s后，兩個(gè)電池的荷電狀態(tài)趨于均衡。

五、總結(jié)

基于磷酸鐵鋰電池的基本原理，搭建了磷酸鐵鋰電池的基本仿真模型，在深入分析電池電壓、電流特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種單電感均衡管理方案。此方案能完成對(duì)動(dòng)力電池組任意兩個(gè)電池之間的均衡管理，最終使它們的荷電狀態(tài)基本一致。

參考文獻(xiàn)

[1] Choi， H. and Oh， I.， “Analysis of product efficiency of hybrid vehicles and promotion policies，” Energy Policy， Vol.38（5）， pp. 2262-2271， 2010.

[2] Amjad， S.， Neelakrishman， S. And Rudramoorthy， R.， “Review of design consideration sand technological challenges for successful development and deployment of plug-in hybrid electric vehicles，” Renewable and Sustainable Energy Reviews，” Vol.14（3）， pp. 1104-1110， 2010.

[3] Jarrett， A. and Kim， I.Y.， “Design optimization of electric vehicle battery cooling plates for thermal performance，” Journal of Power Sources， Vol.196， pp. 10359-10368， 2011.

[4] Kizilel， R.， Lateef， A.， Sabbah， R.， and Farid， M.M.， “Passive control of temperature excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature，” Journal of Power Sources， Vol.183， pp. 370-375， 2008.

[5] Ling， Z.， Zhang， Z.， Shi， G.， Fang， X. et al.， “Review on thermal management systems using phase change materials for electric components， Li-ion batteries and photo voltaic modules，” Renewable and Sustainable Energy Reviews，” Vol.31（2）， pp. 427-438， 2014.

[6] Pesaran， A.A.， “Battery Thermal Management in EV and HEVs Issues and Solutions，” Battery Man，” Vol.43（5）， pp. 34-39， 2001.

[7] Zolot， M.， Pesaran， A.， and Mihalic， M.， “Thermal Evaluation of Toyota Prius Battery Pack，” SAE Technical Paper 2002-01-1962， 2002， doi： 10.4271/2002-01-1962.

[8] Kelly， K.J.， Mihalic， M. And Zolot， M.， “Battery Usage And Thermal Performance Of The Toyota Prius And Honda Insight During Chassis Dynamometer Testing，” Battery Conference on Applications & Advances， pp. 247-252， 2002.

[9] Rao， Z. and Wang， S.， “A review of power battery thermal energy management，” Renewable and Sustainable Energy Reviews， Vol.15（9），pp. 4554-4571， 2011.

[10] Frusteri， F.， Leonardi， V.， Vasta， S. And Restuccia， G.， “Thermal conductivity measurement of a PCM based storage system containing carbon fibers，” Applied Thermal Engineering， Vol.25（11），pp. 1623-1633， 2005.