新能源汽车电池实验技术及均衡电路设计
2023-06-25王朝江
摘要：世界各地面临着能源紧缺、环境恶化的处境，越来越多的消费者开始考虑拥有更加节能的汽车，这使得纯电动汽车的研究受到格外关注。采用先进的电池管理技术，可以对电池（组）进行实时监控，从而有效地控制电池（组）的全过程，确保电池（组）的可靠性，达到更好的节能目的。因此，对磷酸铁锂动力电池的管理和SOC的估算方法进行深入的研究。
关键词：新能源；汽车电池；实验技术
中图分类号：U467 收稿日期：2023-03-30
DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.027
1 磷酸铁锂电池SOC估算方法
1.1 磷酸铁锂电池
1.1.1 磷酸铁锂电池的原理
LiFePO4电池由多个部件组成，包括正极、负极、电解液、隔离层、正极引线、负极引线、中心端子、绝缘装置、安全阀、密封圈、电池壳等，它们的结构、材料、工艺以及使用方法都会对电池的性能产生重要的影响。
LiFePO4电池采用了一种独特的内部化学反应，以实现储存和释放电能的功能，其内部结构如图1所示，其理想的电极由一层厚度介于10～25 ?m之间的铝板组成，表面覆盖着一层活性物质，总厚度约为180 ?m。在电池的正极上，采用了一种特殊的功能性聚合物隔膜，其厚度介于10～25 ?m之间，由微孔PE或聚苯乙烯构成，而负极则采用了一层厚度介于10～20 ?m的碳材料，以确保其稳定性和可靠性［1］。通常来说，这种活性物质层的厚度可达到200 ?m。
当磷酸铁锂电池进行充电时，电子将从电池的正极穿越，进入电池的负极，从而使锂离子从电池的正极析出。随着电池的运行，锂离子将穿越电池的负极，并与电池内部的电解质发生反应，从而产生LiC6。随着LiFePO4电池中锂离子的数量增加，其可用于充放电的功率也会相应增加，其中的化学反应机制见图1。
1.1.2 VRLA电池的原理与特性
VRLA电池，也称为阀控铅酸蓄电池，源自1970年，它利用AGM吸液玻璃纤维板技术，实现了高效、安全、稳定的电池供应。阀控式铅酸蓄电池具有优异的稳定性和可靠的操作特点，它的负极没有因为充电而产生氢气，因此在长时间的使用中，其失水率非常低，无须经常添加酸或者添加水来保持其稳定［2］。此外，VRLA的完整密封也保证了它的安全，因此深得人们的喜爱。VRLA电池组已经被广泛地应用到各个领域，包括汽车、通讯、IT和太阳能。它们的特点是：充电速度快，内部阻力低，不易受到环境因素的影响，而且容易获得更好的性价比和更高的效率。此外，它们的温度调节方式更为简单，因此在实际中非常流行。
1.2 电池荷电状态（SOC）预测
为了准确估算动力电池SOC，必须明确它的定义。根据目前的研究，通常认为，在特定的温度条件下，当电池无法再吸收能量时，它的SOC应该被设置为100%。当流量超过SOC所能承受的最大值时，SOC将被调整至0。然而，SOC的精確度取决于多种因素，包括传输速率、电池SOH、温度以及电池电压等，而这些因素都可能对SOC的精确性产生重大影响，因此，在线计算SOC可能会比较困难。LiFePO4电池在充满电的情况下，SOC的值通常被假设为0。如果将其转换为较低的电流，它仍然会释放一些电流。此外，如果将电池的电量从70%提高到80%，那么它的SOC估计值将在20%～30%之间。当电池的电压升至较高的倍率时，它的电流量将会急剧减少，而SOC的恢复也将受到多种不可逆因素的影响，例如板材的硫化程度、腐蚀程度、活性成分的含量等，这些因素都会对SOC的恢复产生重要的影响。由于多种原因，电池的能力损失通常是不可逆转的。
根据上述情况，SOC的确定通常采用一种比较的方式，即将电池的剩余容量与其所能提供的总容量之比作为衡量标准：
式中的Qt表示恒流放电所产生的电流，而Qc则表示电池组的剩余电流，虽然它的概念并非十分适用，尤其当放电电流发生改变时，其对应的标准电池的实际使用寿命也将随之改变。随着SOC的不断发展，它的预测难度也在不断提高，从而影响到它的技术性能。因此，本文提供一种新的方法来解决SOC的模型，该模型可以根据不同的电压情况来确定SOC的状态。
SOC的标称值可以通过测量其容量来获得，但它的动态性则取决于其受到的外界环境影响，包括电流、温度以及其他可能的影响，这些影响可以通过调整补偿参数来实现，具体可参考下式：
2 电池组均衡电路研究分析与设计
2.1 均衡电路原理
采用图2所示的拓扑结构，可以实现电磁能量的有效转换，从而实现整个电池组的平衡循环。
图2展示的电池组的平衡系统，其基本原理是：利用光耦栅极及其相应的信号检测电路，来监测每一块电池的电压。随后，DSP芯片将这些数据转换为平衡的模式，并根据平衡的模式计算出MOSFET的PWM值，从而实现平稳的调速。采用PWM技术，电池之间的电量得到了有效的传递。另外，还可利用DSP的PC和CAN总线，将它们连接到BMS和其他电力系统。
2.2 均衡电路参数设计
本文将探究如何实现电池的平衡循环，也将探究如何通过使用MOSFET来实现这一目标。为了实现这一目标，将考虑使用合适的MOSFET，并确定合理的MOSFET的使用顺序。通过使用单片机来收集信息，并且结合动力电池的性能特点，以及对于变压器的绕线技术、磁芯材质的选择，可以更好地满足系统的运行需求。
本文旨在探讨四节串联锂电池组的均衡电路，并给出相关参数，如表1所示。
2.2.1 均衡开关
通过开关的连续切换，可以有效地传输能量，而且这种功率平衡可以确保主电路和副电路的最大电流。因此，在进行仿真电路设计时，必须充分考虑开关的传输速度、耐电压、电流以及其他相关参数，以确保模拟结果的准确性。改变电路可能会对电子系统产生重大影响。
本文采用ST系列STripFETⅡ的N沟道MOSFET。其器件型号为STB75NF7525，具有低直流电压、低功耗、高直流电流，可靠的工作温度在-55～175 ℃之间，具有高电阻特性，显示了用于测试特定功能的测试电路。该电路的栅极信号由模拟特殊驱动信号的发生器产生。
STB75NF75的开路电压设置为3 V，驱动信号的最大电压设置为10 V。同时，开关信号的工作频率设置为25 kHz，以抑制人耳感知到的噪声。另外，由于N沟道MOS管额定电流更大，电阻更高，所以我们选择STB75NF75作为主阀的替换管，以保证其可靠性和良好的工作。
2.2.2 采集及控制
AD转换器被用来收集各种参数，它能够把复杂的模拟信号变换成简洁的数字，从而使得单片机成为均衡电路的关键部分。在这一系统的运作过程中，每一块微型计算机都会持续地进行数据的输入、校准、调整，从而达到精确的平衡状态。
a.为了确保测量的准确性，输入必须稳定，并具备电压保护功能。
b.控制输出要稳定，开关能及时通断，抗干扰能力强，防止误操作。电池在工作时输出功率和电流都很大，所以外围电路元器件除了自身发热外，也会散发一定的热量。检测电池的实时工作温度，需要检测每节电池的温度。由于需要采集的数据量较大，因此选择了与IIC总线通信的集成温度单元网络。温度指示传感器安装在电池中需要检测的位置，所有传感器安装在单片机的IIC总线上。
本文中的STM32F103VB控制器除了使用基于总线的温度传感器进行识别外，还内置了温度传感器。控制器的温度可以很容易地检测到，因此当环境温度和控制面板温度异常时，会提前关闭平衡电路的控制，从而可提高电路的可靠性。采取安时法评估剩余容量时，SOC的时序变化会导致检测精度的下降，因此，在这一评估过程中，需要精确地测量电流，从而减少可能存在的偏差。然而，采取其他评价技术，如采集实时信息，可能会比安时法的精度还要低。通过采用LEM的LTS6-NP传感器，能够实现对汽车电池管理系统的准确测量，而不需要依赖传统的精确测量技术，从而实现更加准确的测量结果。此外，霍尔测量法也是一种有效的测量技术，它能够有效地提升测量的准确性。采用单电压技术，能够轻松地對单个锂离子电池的电量进行监控，从而大大减少安装及后期保养的工作量。
2.2.3 变压器设计
在平衡电路中，变压器被广泛应用，它们不仅可以存储和传输能量，还可以隔离和限制感应电流，并且具有良好的稳定性。在设计变压器时，必须充分考虑磁芯尺寸、电感、气隙效应、主变压器的数量以及铁芯内部的交流和直流分量之间的相互影响。如果将变压器的输出功率调整至5 V×2 A=10 W，则变压器的次级效率将提高至85%，而输入功率则可以降低至11.76 W。
a.根据变压器的功率要求，应当精确地选择合适的磁芯尺寸，以确保其能够满足电源管理的需求。磁容量的大小取决于材料、规格等因素，因此，应当根据实际情况进行精确的选择。
b.在计算主回路中MOSFET开关的完成时间时，当它关闭时，电流线性增加，而当它打开时，它必须保持打开足够长的时间以释放核心中的能量。因此，在25 kHz的频率下，开关的周期时间应为40 [μ]s。为了保证电路的稳定性，在一个电路中，必须将变压器原、副边的电流值恢复到原来的水平，以免因为能量太大而出现问题。
3 结语
本文经过深入研究，确定了平衡点，并对电池电量做出了合理的评估。此外，我们还对单体电池SOC的过程进行了分析，提出了一种基于车辆行驶复杂度和电池平衡的SOC估算算法，以满足不同的需求。这种方法具有广泛的适用性，收敛性强，算法复杂度低。然而，由于它的研究基础是对电池的短期工作状态进行线性分析，而实际情况是高度非线性的，因此在实际应用中需要注意适用条件。
参考文献：
[1]刘锦绢，刘贤兴，孙金虎，等新能源汽车用动力电池管理系统设计[J]电源技术，2013，37（6）：966-968.
[2]周娟英，赵建有，王露峰，等新能源车用电池负极材料的开发与性能[J]实验室研究与探索，2020，39（7）：48-52.
作者简介：
王朝江，男，1986年生，助理实验师、高级技师，研究方向为电气工程及其自动化。
