锂电池均衡管理控制策略研究

重庆交通大学 机电与车辆工程学院 重庆 400074

1 研究背景

锂电池相比铅酸蓄电池,具有比能量高、自放电率低、体积小、热效应弱、无记忆性、使用寿命长等优点,是电动汽车首选的动力源[1]。随着锂电池电动汽车市场的发展,锂电池的安全性能要求越来越高。锂电池组由单体锂电池串联而成。由于受锂电池自身和生产加工的制约,单体锂电池存在电阻、电压、容量等方面的差异,加之电池组装顺序不同,以及产生热量后的散热速率、自放电速率等差异,造成锂电池组在使用时存在单体锂电池参数不一致,进而对锂电池组的使用寿命和效率产生影响。在解决锂电池组不一致性问题时,除了控制生产加工程序外,还需要进行锂电池均衡管理控制[2]。笔者对锂电池均衡管理控制策略进行研究。

主动型和被动型是目前锂电池均衡管理控制策略的两种主要形式。被动型均衡管理控制策略也称耗散型均衡管理控制策略,在每个单体电池上并联一个可控的电阻进行分流,将容量大的电池中多余的电量以热量的形式消耗掉,实现整组电池电压的均衡。主动型均衡管理控制策略主要利用电路拓扑开关结构和算法进行融合,实现电量的转移,分为电量消耗型均衡管理控制策略和非电量消耗型均衡管理控制策略。电量消耗型属于电量浪费,非电量消耗型则是通过储能元件将电量多的部分传递给电量较少的电池。非电量消耗型均衡管理控制策略中,均衡电路结构复杂、控制难度较大,但是能够减少电量的浪费,降低电池热管理的难度,是当今电池均衡管理控制策略研究的重点[3]。

2 被动型均衡管理控制策略

被动型均衡管理控制策略通过将电阻并联在电路中,以热量的形式消耗掉单体电池中高于其它单体电池的电量。常见的被动型均衡管理控制策略有固定电阻分流法和开关电阻分流法,分别如图1、图2所示。

图2 开关电阻分流法均衡管理控制策略

被动型均衡管理控制策略中,均衡电路简单,成本低,易于模块化,但是多余的电量会转换为热量形式散失,进而造成电能浪费,同时还会增加电池热管理系统的负担,降低电池组的容量。此外,被动型均衡管理控制策略不能有效控制每一个单体电池,会造成实际容量衰减,缩短循环寿命,并且在大容量电池组中进行均衡的效率较低,完成电池组均衡的时间较长。针对以上缺点,徐磊[4]提出一种变电阻均衡充电方案,在每个单体电池两端并联阻值可变的电阻,根据单体电池电压差大小控制均衡电阻值,进而使电池端电压达到一致。

3 主动型均衡管理控制策略

3.1 控制策略概述

应用主动型均衡管理控制策略,在充放电过程中,当单体电池的电压达到阈值时,通过控制开关使电路中的充电电流不流通该单体电池,即将该单体电池从整个电池组中进行旁路。对所有电压达到阈值的单体电池进行以上操作,直至所有电池充满电。张风燕等[5]提出一种基于模块旁路与锁定接入的智能均衡控制策略,在保证等效两电平输出的前提下,实现电池电量的快速均衡控制。华彬等[6]提出一种改进的锂电池主动充电均衡方案,以谐振电路为主,利用谐振软开关实现开关的零电流导通和截止,并通过辅助二极管均衡模块来解决谐振电路均衡后期电流过小的问题,达到充电过程的主动均衡。在研究中,应用MATLAB/Simulink软件建立均衡电路模型,通过仿真分析,确认均衡效率得到了显著提高,电池之间的不一致性得到了明显改善。

3.2 电容式

传统的电容式均衡管理控制策略可以分为飞渡电容式和开关网络电容式两种[7],分别如图3、图4所示。

图3 飞渡电容式均衡管理控制策略

电容式均衡管理控制策略利用电容储存元件结合电路拓扑结构,实现电池组中电量高的单体电池电量转移至电量相对较低的单体电池[8]。采用这一策略,如果相邻两个单体电池间电压较低,那么会使均衡时间延长,而且过多的开关会消耗较大的电量,造成浪费,并且使均衡效率变低[9]。赵汉宾等[10]提出改进型飞渡电容式动态均衡管理控制策略,利用率和实际容量相比改进前均提高两倍以上。通过分析开关网络电容式均衡管理控制策略的均衡效率问题,可以得出均衡电流与电池初始荷电状态差、电池性能、电路总阻抗和充放电稳定时间有关,与电容值无关[11]。

图4 开关网络电容式均衡管理控制策略

3.3 电感式

电感式均衡管理控制策略原理与电容式均衡管理控制策略类似。在电路中,电感作为储能元件,用于转移电量。Cao等[12]提出一种基于电感的主动均衡电路,实现了相邻单体电池之间的电量转移,电路中的开关由功率大小控制导通与关断。均衡时电量在相邻单体电池间转移,经过多个循环后可以使整个电池组各单体电池电压趋于一致,但是均衡速度受到一定限制,并且这样做对不需要充电的单体电池也进行了多次充放电,无形中缩短了电池的使用寿命[13]。赵立勇等[14]提出在电感电流断续模式下,使用电池自身的电压作为驱动的外部电源,实现相邻单体电池之间的均衡。这种均衡方式具有体积小、成本低、效率高等特点。

3.4 DC/DC变换器式

张旭升[15]提出了一种基于DC/DC变换器的均衡管理控制策略,并给出了均衡电路的主要参数,同时在MATLAB/Simulink软件中进行了仿真试验,验证了这一策略的可行性。李瑞生等[16]对DC/DC变换器的拓扑结构进行了研究,比较了几种电池组均衡方法,设计了开关阵列和双向变换器的电路拓扑结构,并在此基础上提出了一种主动均衡系统。这一均衡系统由电池组、开关阵列、双向DC/DC变换器、数据采集单元和控制单元组成。此外,DC/DC变换器式均衡管理控制策略在延长电动汽车续航里程方面具有积极的作用[17]。

4 混合式均衡管理控制策略

将多种均衡管理控制策略的优点结合起来,形成混合式均衡管理控制策略,可以提高电池组的均衡速度和效率。朱浩等[18]提出一种结合单体电池间被动型均衡管理控制策略与电池组间利用储能电感进行主动均衡的混合式均衡管理控制策略。林小峰等[19]提出一种双层结构的主动型均衡管理控制策略,分别控制底层双向Buck-Boost电路和顶层反激式变换器电路开关的通断,实现电量的转移,进而达到均衡。薛力升等[20]提出两级混合式均衡管理控制策略,第一级采用电感式均衡电路,通过储能电感转移电量,第二级采用独立变换器并联均衡电路。这种控制策略的优点为均衡时间短、效率高。

5 结束语

锂电池均衡管理控制策略对于提高电动汽车电池的寿命和效率而言,具有重要的意义。当单体电池之间电压差异非常微小时,可以采用被动型均衡管理控制策略。在电动汽车行驶过程中,电池组之间会产生不一致性,此时在模组之间可以采用电感式、DC/DC变换器式、电容式等主动型均衡管理控制策略,以实现快速均衡。

混合式均衡管理控制策略结合了各种均衡管理控制策略的优点,可以优化均衡电路的结构,使均衡效率最高,并且可以实现均衡方式的精细化,减少电量的浪费。对常见的电池均衡管理控制策略进行研究并进行组合,进而得到一种最优的混合式均衡管理控制策略,是未来的研究重点。