【技术π】车载锂离子动力电池系统及充电机充电技术解析

电动汽车采用电能替代化石燃料作为动力，是未来交通的唯一长远解决方案。动力电池系统作为电动汽车的心脏，只有对其进行充分的了解，才能实现电动汽车的顺利推广。本文从国内外电动汽车主要车载动力电池的发展趋势角度出发，对比较有发展前景的锂离子电池及其电池管理系统进行了重点分析。 锂离子电池组充电机充电不均衡易使其产生过充放电问题，严重损害其使用寿命。本文提出了一种新型智能充电机充电模式，使电池组更加安全、可靠地充电机充电，能够延长其使用寿命，增加安全性，降低使用成本。 1 车载锂离子电池管理系统 作为电动汽车电池的监测“大脑”，电池管理系统(BMS)在混合动力电动汽车中可以实现对电池剩余电量的监测，预测电池的功率强度，便于对整个电池系统的了解和整车系统的掌控。 在纯电动汽车中，BMS具有预测电池剩余电量、预测行驶里程和故障诊断等智能调节功能。BMS对锂离子电池的作用尤为明显，可以改善电池的使用状态、延长电池使用寿命、增加电池安全性。BMS将是未来电动汽车发展的关键技术。 如图1所示，BMS中数据采集模块对电池组的电压、电流和温度进行测量，然后将采集的数据分别传送到热管理模块、安全管理模块并进行数据显示。热管理模块对电池单体温度进行控制，确保电池组处于最优温度范围内。 安全管理模块对电池组的电压、电流、温度及荷电状态(SOC)估算结果进行判断，当出现故障时发出故障报警并及时采取断路等紧急保护措施。状态估计模块根据采集的电池状态数据，进行SOC和健康状态(SOH)估算。 目前主要是SOC估算，SOH估算技术尚不成熟。能量管理模块对电池的充放电过程进行控制，其中包括电池电量均衡管理，用来消除电池组中各单体的电量不一致问题。数据通信模块采用CAN通信的方式，实现BMS与车载设备和非车载设备之间的通信。 BMS的核心功能是SOC估计、均衡管理和热管理，此外还具有其他功能比如充放电管理、预充电机充电管理等。在电池充放电过程中，需要根据环境状态、电池状态等相关参数进行管理，设置电池的最佳充放电曲线，例如设置充电机充电电流、充电机充电上限电压值、放电下限电压值等。电动汽车的高压系统电路存在的容性负载在上电瞬间相当于短路，因此需要进行预充电机充电管理来防止高压电路上电瞬态电流冲击。 2 电池管理系统的核心功能 2.1 SOC估算 SOC用来描述电池剩余电量，是电池使用过程中最重要的参数之一。SOC估计是判断电池过充过放的基础，精确的估计可以最大限度的避免电池组的过充放电问题，使其更加可靠地运行。 电池SOC的估算在内部工作环境和外界使用环境变换的影响下呈现出非常强烈的非线性。影响电池容量的内外因素有多种，如电池温度、电池寿命、电池内阻等，要准确完成SOC估算有很大困难。 现有的SOC估算方法如下： (1)安时计量法。安时计量法不考虑电池内部结构、状态等方面的变化，因而有结构简单、操作方便的优点，但是该方法的精度不高。若电流测量精度不高，那么随着时间的推移，SOC累计误差将不断加大，影响最终结果。该方法适合计量电动汽车上的电池SOC，若能提高测量精度，不失为一种简单可靠的SOC计量方法。 (2)开路电压法。锂离子电池开路电压与SOC有近似线性关系，可用来判断电池内部的状态。但因测量要求较为严格，需要电池静置时间至少在1 h以上，不适合单独使用于电动汽车内电池的在线实时检测。一般情况下，因开路电压法在充电机充电初、末期估算值准确率较高，经常将开路电压法与安时计量法结合使用。 (3)卡尔曼滤波法。卡尔曼滤波法凭借出色的纠正误差能力，特别适合于电流波动剧烈的混合动力电池，该估算法的缺点在于对系统处理速度的要求较高。 (4)神经网络法。神经网络具有分布并行处理、非线性映射和自适应学习等特性，因此可以用于模拟电池动态特性，估算SOC。但是此方法需要大量参考数据供神经网络进行学习，且数据和训练方法要求较高，否则会造成不可接受的误差。 2.2 均衡管理 在生产电池过程中要经过很多道工序，差异化会造成不一致的状态。电池单体的差异主要表现在随着时间推移和温度变化，其内阻和容量都会有差异。单体之间大的差异更容易引起过充或过放现象，造成电池损坏。实现电池均衡能够最大限度地发挥动力电池的效用，延长电池使用寿命，增加安全性。现阶段国内外主流均衡方法如下： (1)电阻均衡法。此方法是能量耗散型均衡法的主要代表，方法简单，成本低，但是能量损耗比较大，效率较低，只适用于小电流充放电的系统中。 (2)开关电容法。此方法是非能量耗散型均衡法的主要代表，它弥补了电阻均衡的缺点。但它控制电路复杂，均衡速度较慢，用时较长，不适合大电流使用。 (3)变压器均衡法。此方法是基于对称多绕组变压器结构的串联电池组主动均衡控制方法。它的缺点是电路复杂、器件多，体积太庞大，不易于电池组的扩展。一般适用于大电流的充放电中。 (4)集中式均衡。该方法能迅速地使整个电池组为电池单体转移能量，集中式均衡模块的体积更小。但多个电池的均衡操作不能并行进行，而且需要大量线缆连接，不适用于电池数量较大的电池组。 2.3 热量管理 温度对电池各方面的性能都有影响。温度场的不均匀性将加剧电池组的不一致性，故对其进行管理非常必要。热管理的目的是通过加热或者散热措施将电池系统的温度维持在一定的范围内，并且尽量保持电池组内的温度一致性。 温度管理主要完成以下4项功能：(1)快速加热低电阻条件下的电池组；(2)保证电池温度场的均匀分布；(3)电池温度的准确测量和监控；(4)在电池组温度过高时，有效地疏散热量。常用的冷却方法有自然对流法、强迫空气对流法、液体流法、相变材料法和热管理法等，常用的加热方法有电池内部加热法、加热板法、加热套法和热泵法等。 3 锂离子电池充电机充电技术 3.1 现状及发展趋势 实际应用中，根据电池容量的限制选择不同的充电机充电模式是延长蓄电池使用寿命的必然选择。锂离子电池充电机充电方法较多，最简单的是恒定电压充电机充电法。锂离子电池组一般由大量的单体串联组成,由于每个单体制造工艺的差别，存在内阻、电压、容量和温度的不一致性，易造成充放电过程中的不均衡，即大容量单体浅放、小容量单体过放，这会对电池组造成严重损伤。解决不均衡充放电问题是锂离子电池组的研究重点。 电动汽车对电池充电机充电技术的要求包括： (1)充电机充电过程快速化。动力电池比能量低导致一次性充电机充电续航里程短，这一直是限制电动汽车发展的重要因素。只要让蓄电池更快速更有效地充电机充电，就可以间接弥补电动汽车续航里程短这一大弱点。 (2)充电机充电设备通用化。为了追求相关学术前沿、优化自身产品争取尽可能多的市场份额，各种新型的蓄电池层出不穷，并共存于这个市场中。在不同种类、不同电压等级蓄电池并存的情况下，公共场所中的充电机充电设备需要拥有更广泛的适应性，一方面充电机充电机需要适用于尽可能多的蓄电池，另一方面对于不同的电压等级，充电机充电机都需要满足客户的要求。 (3)充电机充电策略智能化。为了尽可能实现蓄电池的无损充电机充电，监控其充放电状态，避免过放电，达到既节能又延缓老化的目的，需要更智能的充电机充电策略。即针对不同的蓄电池提供不同的充电机充电策略，以吻合该电池充电机充电曲线。 (4)电能变换高效化。电动汽车能量损耗与运行成本相关甚密，要想进一步推广电动汽车，必须尽可能地平衡其性价比，降低能耗。 (5)充电机充电系统集成化。随着系统小型化和多功能化的要求，以及电池可靠性和稳定性要求的提高，充电机充电系统将和电动汽车能源管理系统集成为一个整体，集成电流检测和反向放电保护等功能，无需外部组件即可实现体积更小、集成化更高的充电机充电解决方案，从而为电动汽车其余部件节约出布置空间，大大降低系统成本，并可优化充电机充电效果，延长电池寿命。 3.2 智能充电机充电技术 基于以上对锂离子电池组及其充电机充电现状的分析，针对锂离子电池组充电机充电过程中易产生的不均衡性和安全性问题，本文总结出一种基于电动汽车BMS的智能充电机充电模式，如图2所示。 在整个充电机充电过程中，BMS系统主要针对锂离子电池组进行电池电压、电流信号的监测和温度、连接状态等的检测；充电机充电机中的智能管理系统针对充电机充电设备的输出模式进行实时监控。BMS系统与充电机充电设备智能管理系统实现智能通讯，进行电池组与充电机充电设备状态的实时模式比对，为电池组选择最优的充电机充电模式。 在充电机充电初始过程中，BMS对锂离子电池组进行允许最大充电机充电量估计，即对整个电池组的单体进行SOC评估，测出电池组最大可充电机充电量。并结合预先设定的充电机充电量安全系数，计算出电池组最大允许充电机充电量。 充电机充电过程中，按照最大允许充电机充电量对锂离子电池组进行充电机充电。充分利用BMS的能量管理模块，对电池组单体进行充电机充电均衡控制，保证单体参数一致性。同时在充电机充电过程中，需要对SOC值进行周期性(检测周期根据电池荷电量的增加梯度制定)检测。 利用BMS系统的状态估计功能，结合安全管理，最大限度防止电池组的过充电机充电。在达到电池组最大充电机充电量之后，BMS和充电机充电设备智能管理系统均可以智能控制充电机充电控制器，结束充电机充电过程。同时，BMS断开与充电机充电机智能监测系统的通讯。 智能充电机充电方式不仅能够解决锂离子电池组充电机充电不均衡问题，也能最大限度地保证电池组充电机充电安全性，延长锂离子电池组使用寿命，保证其使用安全性。 4 锂离子电池检测技术 我国大力发展电动汽车产业，并且积极推动相关充电机充电设施建设。但是这些示范性设备在运行中发现很多问题，如电池的筛选匹配、设备的发热、连接装置的插拔接口接触不良等。在少量装置时出现的这些问题如果不能解决，在电动汽车大量应用后，将出现应接不暇的局面，势必对其发展产生不利影响。 随着电动汽车基础设施大量建设，急需相关配套检测方案。天津市电力公司开展《移动式电动汽车充电机充电关键设备检测技术研究》项目，其中针对电动汽车换电站最重要的是对电池组的检测。 电动汽车换电站中主要包括电池故障诊断，筛选维护和基于BMS监测的分箱充电机充电技术，将针对电池筛选装置和充电机充电机的性能进行重点检测。对锂离子电池特性的研究和掌握，有利于对换电站中筛选装置精确度进行判断，提高电池使用寿命。 通过对大量已投入运行的充电机充电关键设备进行调研，有利于掌握其运行特性和故障特性，提高检测效率，形成简便快捷的移动式检测方案。这将是一道强有力的核心技术保障，有助于电动汽车的全面发展。 5 结语 本文对锂离子电池系统进行了分析，对BMS的构成和核心功能进行了重点介绍，针对电池组充电机充电不均衡问题提出了一种智能充电机充电模式。一套完善的智能充电机充电系统可以协调充电机充电机与电池组之间的供求关系，为电池组提供更加安全可靠的充电机充电模式，延长其寿命，增加电池组可靠性且降低运行成本，将成为未来电动汽车技术的研究重点。与智能充电机充电技术相匹配的便捷的、快速的“移动式”充电机充电关键设备检测装置的研发势在必行。来源：蓄新电气