鋰電池組的能量均衡控制案例分析

電動(dòng)汽車用動(dòng)力鋰電池組一般采用多個(gè)電池單體串并聯(lián)的結(jié)構(gòu),由于電池單體本身的不一致性,需要在電池組充、放電過程中進(jìn)行能量的均衡控制。

采用雙層準(zhǔn)諧振開關(guān)電容的均衡方法進(jìn)行串聯(lián)電池組的能量主動(dòng)均衡,通過對(duì)常規(guī)雙層開關(guān)電容均衡方法的改進(jìn),利用準(zhǔn)諧振軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電流導(dǎo)通和截止。仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。

電動(dòng)汽車及混合動(dòng)力汽車都需要?jiǎng)恿﹄姵亟M，目前的蓄電池，不論是鉛酸電池、鎳氫電池還是鋰離子電池，由于單體電壓較低，在應(yīng)用到電動(dòng)汽車時(shí)都需進(jìn)行多個(gè)電池的串并聯(lián)以滿足汽車所需要的高電壓。鋰電池是目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的電池中能量密度最高的，因此在電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車上獲得了較多應(yīng)用。

在鋰電池的生產(chǎn)制造過程中，不可能做到電池特性的完全一致，由于生產(chǎn)工藝問題和材質(zhì)的不均勻性，使電池極板厚度、微孔率、活性物質(zhì)的活化程度等存在微小差異，這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不一致性，導(dǎo)致同一批次出廠的電池的單體電壓、電池容量、內(nèi)阻等參數(shù)不一致。

另外，在電池裝車使用時(shí)，由于電池的安裝位置不同、散熱情況的差異、自放電程度的差別等影響，在一定程度上增加了電池各參數(shù)的不一致。這種不一致性導(dǎo)致鋰電池的串聯(lián)應(yīng)用時(shí)，需要電池管理系統(tǒng)對(duì)電池在充、放電過程中進(jìn)行能量動(dòng)態(tài)均衡，以避免單個(gè)電池出現(xiàn)過充電或過放電，并最大限度地保證每個(gè)單體電池的容量相當(dāng)，從而保證電池組的使用壽命和可靠性。

目前電池組應(yīng)用的均衡方法主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡兩大類。被動(dòng)均衡也稱為耗散型均衡，其實(shí)現(xiàn)方式即在每個(gè)單體電池上并聯(lián)一個(gè)可控的電阻進(jìn)行分流，將容量多的電池中多余的能量消耗掉，實(shí)現(xiàn)整組電池電壓的均衡。

主動(dòng)均衡即能量轉(zhuǎn)移均衡，其實(shí)現(xiàn)方法是將電池單體能量高的部分轉(zhuǎn)移到能量低的電池單體，或是用整組電池能量補(bǔ)充到單體最低的電池，在實(shí)施過程中需要一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，以便能量通過這個(gè)環(huán)節(jié)重新進(jìn)行分配。

目前有許多種主動(dòng)均衡理論，其中包括利用開關(guān)電容變換器的均衡方法。A. C. Baughman等在此基礎(chǔ)上提出了雙層開關(guān)電容的理論，提高了單層開關(guān)電容均衡的效率。

本文提出一種改進(jìn)的諧振型雙層開關(guān)電容的均衡控制方法，通過使用LC串聯(lián)的諧振開關(guān)電容系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電流導(dǎo)通及關(guān)斷，可以進(jìn)一步降低開關(guān)損耗，改善電磁干擾( Electro Magnetic Interference，EMI)問題，提高均衡的效率。

圖9 實(shí)驗(yàn)電路及電池電壓波形

結(jié)論

鋰電池組的能量均衡控制是電池管理系統(tǒng)的重要功能之一，傳統(tǒng)的雙層開關(guān)電容電池組充、放電均衡方法由于使用了硬開關(guān)，存在較大的電磁干擾和開關(guān)損耗問題。

本文提出一種采用準(zhǔn)諧振雙層開關(guān)電容的均衡結(jié)構(gòu)，通過軟開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)開關(guān)切換時(shí)的零電流導(dǎo)通和截止，有利于降低開關(guān)損耗和提高均衡的效率，并在系統(tǒng)仿真和電路實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。