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电动汽车动力电池组能量均衡系统

时间:2016-11-06 18:39 来源:电工之家 作者:编辑部

由于受动力电池原材料品质、生产工艺、工作环境等因素的影响,动力电池组在经过多次充放电后,电池间差异将逐步显现。若在电池组充电状态下将造成容量低的电池过充,容量高的电池未充满;而在放电状态下将造成容量低的电池过放,容量高的电池未充分利用,多次反复将使得动力电池组性能下降,严重情况下还会引发电池组爆炸等安全问题。因此针对电池组状态逐渐离散的问题,开发出结构灵活、智能高效的电池组能量均衡系统已成为重要研究方向。当前大多数电池组均衡系统只考虑主动均衡技术,均衡周期较长,本文设计的均衡系统兼顾被动均衡高效和主动均衡能量无损的优点,在考虑成本的前提下可有效提高均衡效果,具有很高的实用价值。
1 电池组不均衡度分析
通过对动力电池组的循环充放电实验、模拟工况试验可知,动力电池组的不一致性通常包含原始性能参数不一致和电池性能老化程度不一致两种情况,具体表现在单体电池之间的参数特性如电池
端电压、SOC、内阻等差异。其中端电压值容易测
量,且是单体电池间能量差异的直接和客观反映,
因此本文所述均衡系统以电池端电压为控制目标参数,进行均衡控制策略设计。定义单体电池端电压差异度α来衡量动力电池组总体一致性情况:

其中Uave为动力电池组整体电压平均值,其值为:

Ui为各个单体电池端电压值,n为电池数目。单体电池端电压差异度α反应的是动力电池组电压整体不一致性态势,这一态势变化幅度较小,不会因为某一电池电压值变化而剧烈波动。同样可以定义每个电池包内电压差异度来表征各个电池包内电池一致性情况。
2 均衡系统设计
2.1均衡系统总体框架
整个动力电池组根据车辆动力性需求可分为若干电池包,每个电池包由若干单体电池组成。本文设计的电池组能量均衡系统结构如图1所示,该均衡系统包含以下几大功能模块:数据采集模块实时监测电池组单体电池电压信息,作为均衡电路是否工作的依据参数;被动均衡模块作用于每个电池包内单体电池之间,以各自电池包内单体电池平均电压为目标参考值进行动态均衡,以此作为后续主动均衡的基础;主动均衡模块作用于各个电池包之间,以被动均衡后电池包平均电压为目标参考值进行动态双向均衡;中央控制器根据数据采集模块监测到的电池电压参数,依据设置好的均衡策略,分别控制被动均衡模块和主动均衡模块的工作状态,其中被动均衡模块场效应开关管由通用IO口输出高低电平,经由驱动电路进行控制,而主动均衡模块场效应开关管由控制器相应PWM模块产生周期和占空比可控方波,经由PWM驱动电路进行控制。

2.2 被动均衡理论分析
被动均衡基本电路特征为将一个功率开关管和耗散电阻串联后,再与电池包中的每个电池并联,通过“分流”需要均衡的电池电流,以此来控制各单体电池的均衡过程,具有电路结构简单可靠、性价比高的优点。被动均衡电路原理图如图2所示,其中I为充电电流,Vb_n为各个单体电池电压值,in为各个单体电池电流,Rn为耗散电阻,Sn为功率开关管。在动力电池组充电过程中,若某单体电池电压高于均衡阀值,则导通功率开关管,对该电池充电电流I进行分流,从而使其充电速率比其它电池慢。忽略功率开关管的阻抗,则单体电池充电电流为:

在动力电池组放电过程中,若某单体电池电压高于均衡阀值,则导通功率晶体管以增加该电池的有效负载,从而使其放电速率比其它电池快,在此不再赘述放电过程中的电流关系表达式。根据单体电池电压和电池包内单体电池电压平均值之差,由中央控制器通用IO口输出高低电平来模拟可控方波的生成,设置其占空比和周期的大小,以此控制被动均衡的工作状态。被动均衡电路设计时必须注意功率开关管和耗散电阻的选择,以使均衡电流保持在合理范围内。如果均衡电流过高则功耗会很大,将引起电池包升温且增加电子元器件负担;如果均衡电流过低则需要很长时间才能起到均衡作用,这会降低电池均衡效率,甚至失去均衡意义。
2.3 主动均衡理论分析
如图3所示,主动均衡功能模块由辅助储能电感、储能电容、功率开关管组成。每对电池包之间配置一个主动均衡模块,以被动均衡后电池包平均电压为参考值,它既能向低于平均值电压的电池包转入能量,使其电压值向平均值靠拢,又能从高于平均值电压的电池包转出能量,同样使其电压值向平均值靠拢,实现动态双向无损均衡。

以j均衡模块为对象进行电路原理分析,定义D为PWM占空比,T为周期,初始状态下储能电容Cj电压等于电池包VBj和VBj+1电压之和。假设某一时刻电池包VBj电压高于电池包VBj+1,忽略电池包等效内阻和功率开关管阻抗,其电路分析过程如下:从零到DT这段时间为第一阶段,功率开关管Qj开启,Qj+1关闭,则电池包VBj对电感Lj充电,储能电容Cj对电池包VBj+1和辅助储能电感Lj+1充电。根据基尔霍夫电压和电流定律可得,这一阶段电气动态方程为:

从DT到(1-D)T这段时间为第二阶段,功率开关管Qj关闭,Qj+1开启,则电池包VBj对储能电容Cj充电,辅助储能电感Lj+1继续对电池包VBj+1充电。根据基尔霍夫电压和电流定律可得,这一阶段电气动态方程为:

辅助储能电感工作在DICM模式,电池包电压之比和电感电流及PWM占空比之间的关系为:

定义在一个周期内流过电感的加权平均电流为均衡电流,综合上述公式推导出均衡电流大小为:

若电池包VBj电压低于电池包VBj+1,同样由电路分析可得均衡电流大小为:

由公式(12)和(13)可知PWM周期T和占空比D是决定均衡电流大小的关键因素。控制单元根据电池包电压参数,调节PWM占空比和周期来控制开关管的导通和关断时间,从而实现电池包之间的动态能量转移,达到均衡效果。
3 均衡控制策略流程图
均衡控制策略具体实施过程如图4所示,首先进行均衡系统中央控制器各个寄存器和端口初始化。其次数据采集模块实时监测各个单体电池电压,由中央控制器内置程序计算各个电池包内单体电池电压平均值,作为单体电池是否进行被动均衡的依据。若某一单体电池电压高于此平均值,则中央控制器相应通用IO口电平状态变化,输出控制信号经由驱动电路驱动场效应开关管开启,进行单体电池被动均衡。这一过程持续进行,直到单体电池电压与平均值之差小于限定阀值。再次中央控制器内置程序计算各个电池包整体电压平均值,作为

电池包之间是否进行主动均衡的依据。只要电池包电压与此平均值之差不小于限定阀值,就由中央控制器PWM模块产生周期和占空比可控方波,经由PWM驱动电路来控制场效应开关管的开闭,以此进行电池包间的主动均衡。均衡控制策略中限定阀值需根据实际情况进行设置,其值设定的越小则均衡周期越长,反之则均衡周期短而均衡效果略差。