車載鋰離子動力電池系統(tǒng)及充電機充電技術(shù)研究
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車載鋰離子動力電池系統(tǒng)及充電機充電技術(shù)研究
張 革
摘要：電動汽車車載動力電池的性能直接影響汽車的續(xù)航里程，車載動力鋰離子電池組的安全性和串聯(lián)充電機充電不均衡問題是限制其發(fā)展的一大阻力。結(jié)合國內(nèi)外電動汽車動力電池的發(fā)展狀況，對其中前景較好的鋰離子電池管理系統(tǒng)的構(gòu)成和核心功能進行了重點介紹。分析了車載鋰離子電池組的充電機充電模式，總結(jié)出針對它的智能充電機充電最優(yōu)方法，并針對電池檢測裝置進行了初步介紹。
關(guān)鍵詞：鋰離子電池；荷電狀態(tài)；均衡管理；熱量管理；充電機充電模式；電池檢測
中圖分類號：TM 912 文獻標識碼：A 文章編號：1002-087 X (2017)04-
Research on vehicular lithium-ion battery system with charging and replacing technology
ZHANG Ge
Abstract: The performance of power battery of electric vehicles directly affects the car’s mileage. The security and charge imbalance in series of lithium-ion battery are major resistances of the development. According to the power battery development of electric vehicles at home and abroad, the structure and core functions of the lithium-ion battery management system were introduced. According to the analysis of the lithium-ion battery charging mode, the best intelligent charging mode was proposed. The preliminary introduction was proposed for the battery detection device.
Key words: Li-ion battery; SOC; balance management; thermal management; charging mode; battery testing
電動汽車采用電能替代化石燃料作為動力，是未來交通的唯一長遠解決方案。動力電池系統(tǒng)作為電動汽車的心臟，只有對其進行充分的了解，才能實現(xiàn)電動汽車的順利推廣。本文從國內(nèi)外電動汽車主要車載動力電池的發(fā)展趨勢角度出發(fā)，對比較有發(fā)展前景的鋰離子電池及其電池管理系統(tǒng)進行了重點分析。鋰離子電池組充電機充電不均衡易使其產(chǎn)生過充放電問題，嚴重損害其使用壽命。本文提出了一種新型智能充電機充電模式，使電池組更加安全、可靠地充電機充電，能夠延長其使用壽命，增加安全性，降低使用成本。
1 車載鋰離子電池管理系統(tǒng)
作為電動汽車電池的監(jiān)測“大腦”，電池管理系統(tǒng)(BMS)在混合動力電動汽車中可以實現(xiàn)對電池剩余電量的監(jiān)測，預(yù)測電池的功率強度，便于對整個電池系統(tǒng)的了解和整車系統(tǒng)的掌控；在純電動汽車中，BMS具有預(yù)測電池剩余電量、預(yù)測行駛里程和故障診斷等智能調(diào)節(jié)功能。BMS對鋰離子電池的作用尤為明顯，可以改善電池的使用狀態(tài)、延長電池使用壽命、增加電池安全性。BMS將是未來電動汽車發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
如圖1所示，BMS中數(shù)據(jù)采集模塊對電池組的電壓、電流和溫度進行測量，然后將采集的數(shù)據(jù)分別傳送到熱管理模塊、安全管理模塊并進行數(shù)據(jù)顯示。熱管理模塊對電池單體溫度進行控制，確保電池組處于最優(yōu)溫度范圍內(nèi)；安全管理模塊對電池組的電壓、電流、溫度及荷電狀態(tài)(SOC)估算結(jié)果進行判斷，當出現(xiàn)故障時發(fā)出故障報警并及時采取斷路等緊急保護措施。狀態(tài)估計模塊根據(jù)采集的電池狀態(tài)數(shù)據(jù)，進行SOC和健康狀態(tài)(SOH)估算。目前主要是SOC估算，SOH估算技術(shù)尚不成熟。能量管理模塊對電池的充放電過程進行控制，其中包括電池電量均衡管理，用來消除電池組中各單體的電量不一致問題。數(shù)據(jù)通信模塊采用CAN通信的方式，實現(xiàn)BMS與車載設(shè)備和非車載設(shè)備之間的通信[12]。
BMS的核心功能是SOC估計、均衡管理和熱管理[13]，此外還具有其他功能比如充放電管理、預(yù)充電機充電管理等。在電池充放電過程中，需要根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、電池狀態(tài)等相關(guān)參數(shù)進行管理，設(shè)置電池的最佳充放電曲線，例如設(shè)置充電機充電電流、充電機充電上限電壓值、放電下限電壓值等[14]。電動汽車的高壓系統(tǒng)電路存在的容性負載在上電瞬間相當于短路，因此需要進行預(yù)充電機充電管理來防止高壓電路上電瞬態(tài)電流沖擊[15]。
2 電池管理系統(tǒng)的核心功能
2.1 SOC估算
SOC用來描述電池剩余電量，是電池使用過程中最重要的參數(shù)之一。SOC估計是判斷電池過充過放的基礎(chǔ)，精確的估計可以最大限度的避免電池組的過充放電問題，使其更加可靠地運行。
電池SOC的估算在內(nèi)部工作環(huán)境和外界使用環(huán)境變換的影響下呈現(xiàn)出非常強烈的非線性。影響電池容量的內(nèi)外因素有多種，如電池溫度、電池壽命、電池內(nèi)阻等，要準確完成SOC估算有很大困難。
現(xiàn)有的SOC估算方法如下：
(1)安時計量法。安時計量法不考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等方面的變化，因而有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點，但是該方法的精度不高。若電流測量精度不高，那么隨著時間的推移，SOC累計誤差將不斷加大，影響最終結(jié)果。該方法適合計量電動汽車上的電池SOC，若能提高測量精度，不失為一種簡單可靠的SOC計量方法。
(2)開路電壓法。鋰離子電池開路電壓與SOC有近似線性關(guān)系，可用來判斷電池內(nèi)部的狀態(tài)。但因測量要求較為嚴格，需要電池靜置時間至少在1 h以上，不適合單獨使用于電動汽車內(nèi)電池的在線實時檢測。一般情況下，因開路電壓法在充電機充電初、末期估算值準確率較高，經(jīng)常將開路電壓法與安時計量法結(jié)合使用。
(3)卡爾曼濾波法?？柭鼮V波法憑借出色的糾正誤差能力，特別適合于電流波動劇烈的混合動力電池，該估算法的缺點在于對系統(tǒng)處理速度的要求較高。
(4)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有分布并行處理、非線性映射和自適應(yīng)學(xué)習(xí)等特性，因此可以用于模擬電池動態(tài)特性，估算SOC。但是此方法需要大量參考數(shù)據(jù)供神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行學(xué)習(xí)，且數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法要求較高，否則會造成不可接受的誤差。
2.2 均衡管理
在生產(chǎn)電池過程中要經(jīng)過很多道工序，差異化會造成不一致的狀態(tài)。電池單體的差異主要表現(xiàn)在隨著時間推移和溫度變化，其內(nèi)阻和容量都會有差異。單體之間大的差異更容易引起過充或過放現(xiàn)象，造成電池損壞。實現(xiàn)電池均衡能夠最大限度地發(fā)揮動力電池的效用，延長電池使用壽命，增加安全性。現(xiàn)階段國內(nèi)外主流均衡方法如下[22-23]：
(1)電阻均衡法。此方法是能量耗散型均衡法的主要代表，方法簡單，成本低，但是能量損耗比較大，效率較低，只適用于小電流充放電的系統(tǒng)中。
(2)開關(guān)電容法。此方法是非能量耗散型均衡法的主要代表，它彌補了電阻均衡的缺點。但它控制電路復(fù)雜，均衡速度較慢，用時較長，不適合大電流使用。
(3)變壓器均衡法。此方法是基于對稱多繞組變壓器結(jié)構(gòu)的串聯(lián)電池組主動均衡控制方法。它的缺點是電路復(fù)雜、器件多，體積太龐大，不易于電池組的擴展。一般適用于大電流的充放電中。
(4)集中式均衡。該方法能迅速地使整個電池組為電池單體轉(zhuǎn)移能量，集中式均衡模塊的體積更小。但多個電池的均衡操作不能并行進行，而且需要大量線纜連接，不適用于電池數(shù)量較大的電池組。
2.3 熱量管理
溫度對電池各方面的性能都有影響。溫度場的不均勻性將加劇電池組的不一致性，故對其進行管理非常必要。熱管理的目的是通過加熱或者散熱措施將電池系統(tǒng)的溫度維持在一定的范圍內(nèi)，并且盡量保持電池組內(nèi)的溫度一致性[24]。溫度管理主要完成以下4項功能：(1)快速加熱低電阻條件下的電池組；(2)保證電池溫度場的均勻分布；(3)電池溫度的準確測量和監(jiān)控；(4)在電池組溫度過高時，有效地疏散熱量。常用的冷卻方法有自然對流法、強迫空氣對流法、液體流法、相變材料法和熱管理法等，常用的加熱方法有電池內(nèi)部加熱法、加熱板法、加熱套法和熱泵法等。
3 鋰離子電池充電機充電技術(shù)
3.1 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
實際應(yīng)用中，根據(jù)電池容量的限制選擇不同的充電機充電模式是延長蓄電池使用壽命的必然選擇。鋰離子電池充電機充電方法較多，最簡單的是恒定電壓充電機充電法。鋰離子電池組一般由大量的單體串聯(lián)組成,由于每個單體制造工藝的差別，存在內(nèi)阻、電壓、容量和溫度的不一致性，易造成充放電過程中的不均衡，即大容量單體淺放、小容量單體過放，這會對電池組造成嚴重損傷[25]。解決不均衡充放電問題是鋰離子電池組的研究重點。
電動汽車對電池充電機充電技術(shù)的要求包括[26-28]：
(1)充電機充電過程快速化。動力電池比能量低導(dǎo)致一次性充電機充電續(xù)航里程短，這一直是限制電動汽車發(fā)展的重要因素。只要讓蓄電池更快速更有效地充電機充電，就可以間接彌補電動汽車續(xù)航里程短這一大弱點。
(2)充電機充電設(shè)備通用化。為了追求相關(guān)學(xué)術(shù)前沿、優(yōu)化自身產(chǎn)品爭取盡可能多的市場份額，各種新型的蓄電池層出不窮，并共存于這個市場中。在不同種類、不同電壓等級蓄電池并存的情況下，公共場所中的充電機充電設(shè)備需要擁有更廣泛的適應(yīng)性，一方面充電機充電機需要適用于盡可能多的蓄電池，另一方面對于不同的電壓等級，充電機充電機都需要滿足客戶的要求。
(3)充電機充電策略智能化。為了盡可能實現(xiàn)蓄電池的無損充電機充電，監(jiān)控其充放電狀態(tài)，避免過放電，達到既節(jié)能又延緩老化的目的，需要更智能的充電機充電策略。即針對不同的蓄電池提供不同的充電機充電策略，以吻合該電池充電機充電曲線。
(4)電能變換高效化。電動汽車能量損耗與運行成本相關(guān)甚密，要想進一步推廣電動汽車，必須盡可能地平衡其性價比，降低能耗。
(5)充電機充電系統(tǒng)集成化。隨著系統(tǒng)小型化和多功能化的要求，以及電池可靠性和穩(wěn)定性要求的提高，充電機充電系統(tǒng)將和電動汽車能源管理系統(tǒng)集成為一個整體，集成電流檢測和反向放電保護等功能，無需外部組件即可實現(xiàn)體積更小、集成化更高的充電機充電解決方案，從而為電動汽車其余部件節(jié)約出布置空間，大大降低系統(tǒng)成本，并可優(yōu)化充電機充電效果，延長電池壽命。
3.2 智能充電機充電技術(shù)
基于以上對鋰離子電池組及其充電機充電現(xiàn)狀的分析，針對鋰離子電池組充電機充電過程中易產(chǎn)生的不均衡性和安全性問題，本文總結(jié)出一種基于電動汽車BMS的智能充電機充電模式，如圖2所示。
在整個充電機充電過程中，BMS系統(tǒng)主要針對鋰離子電池組進行電池電壓、電流信號的監(jiān)測和溫度、連接狀態(tài)等的檢測；充電機充電機中的智能管理系統(tǒng)針對充電機充電設(shè)備的輸出模式進行實時監(jiān)控。BMS系統(tǒng)與充電機充電設(shè)備智能管理系統(tǒng)實現(xiàn)智能通訊，進行電池組與充電機充電設(shè)備狀態(tài)的實時模式比對，為電池組選擇最優(yōu)的充電機充電模式。
在充電機充電初始過程中，BMS對鋰離子電池組進行允許最大充電機充電量估計，即對整個電池組的單體進行SOC評估，測出電池組最大可充電機充電量。并結(jié)合預(yù)先設(shè)定的充電機充電量安全系數(shù)，計算出電池組最大允許充電機充電量。
充電機充電過程中，按照最大允許充電機充電量對鋰離子電池組進行充電機充電。充分利用BMS的能量管理模塊，對電池組單體進行充電機充電均衡控制，保證單體參數(shù)一致性。同時在充電機充電過程中，需要對SOC值進行周期性(檢測周期根據(jù)電池荷電量的增加梯度制定)檢測。利用BMS系統(tǒng)的狀態(tài)估計功能，結(jié)合安全管理，最大限度防止電池組的過充電機充電。在達到電池組最大充電機充電量之后，BMS和充電機充電設(shè)備智能管理系統(tǒng)均可以智能控制充電機充電控制器，結(jié)束充電機充電過程。同時，BMS斷開與充電機充電機智能監(jiān)測系統(tǒng)的通訊。
智能充電機充電方式不僅能夠解決鋰離子電池組充電機充電不均衡問題，也能最大限度地保證電池組充電機充電安全性，延長鋰離子電池組使用壽命，保證其使用安全性。
4 鋰離子電池檢測技術(shù)
我國大力發(fā)展電動汽車產(chǎn)業(yè)，并且積極推動相關(guān)充電機充電設(shè)施建設(shè)。但是這些示范性設(shè)備在運行中發(fā)現(xiàn)很多問題，如電池的篩選匹配、設(shè)備的發(fā)熱、連接裝置的插拔接口接觸不良等。在少量裝置時出現(xiàn)的這些問題如果不能解決，在電動汽車大量應(yīng)用后，將出現(xiàn)應(yīng)接不暇的局面，勢必對其發(fā)展產(chǎn)生不利影響。隨著電動汽車基礎(chǔ)設(shè)施大量建設(shè)，急需相關(guān)配套檢測方案。天津市電力公司開展《移動式電動汽車充電機充電關(guān)鍵設(shè)備檢測技術(shù)研究》項目，其中針對電動汽車換電站最重要的是對電池組的檢測。
電動汽車換電站中主要包括電池故障診斷，篩選維護和基于BMS監(jiān)測的分箱充電機充電技術(shù)[29]，將針對電池篩選裝置和充電機充電機的性能進行重點檢測。對鋰離子電池特性的研究和掌握，有利于對換電站中篩選裝置精確度進行判斷，提高電池使用壽命。
通過對大量已投入運行的充電機充電關(guān)鍵設(shè)備進行調(diào)研，有利于掌握其運行特性和故障特性，提高檢測效率，形成簡便快捷的移動式檢測方案。這將是一道強有力的核心技術(shù)保障，有助于電動汽車的全面發(fā)展。
5 結(jié)語
本文對鋰離子電池系統(tǒng)進行了分析，對BMS的構(gòu)成和核心功能進行了重點介紹，針對電池組充電機充電不均衡問題提出了一種智能充電機充電模式。一套完善的智能充電機充電系統(tǒng)可以協(xié)調(diào)充電機充電機與電池組之間的供求關(guān)系，為電池組提供更加安全可靠的充電機充電模式，延長其壽命，增加電池組可靠性且降低運行成本，將成為未來電動汽車技術(shù)的研究重點。與智能充電機充電技術(shù)相匹配的便捷的、快速的“移動式”充電機充電關(guān)鍵設(shè)備檢測裝置的研發(fā)勢在必行。
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