隨著電池技術(shù)的發(fā)展，鋰離子動(dòng)力鋰電池以其能量密度高、功率特性好、壽命長等方面的良好性能成為新一代電動(dòng)汽車的理想動(dòng)力源。為了滿足電動(dòng)汽車的能量和功率需求，往往是由單體電池通過串并聯(lián)形成動(dòng)力鋰電池組供車輛使用。由于電池性能不一致的問題，使得成組電池在利用率、使用壽命、安全性等方面的性能遠(yuǎn)不及單體電池。具有高效均衡管理功能的電池管理系統(tǒng)能夠大幅提高動(dòng)力鋰電池組的整體性能、有效的延長電池組的使用壽命、大大降低整車的使用和維護(hù)成本。為安全、高效、實(shí)用的電動(dòng)汽車的推廣供應(yīng)技術(shù)保障。
目前，電池管理系統(tǒng)在電池在線監(jiān)測(cè)、狀態(tài)評(píng)估、充電管理、數(shù)據(jù)通信、控制策略等方面都取得了一定進(jìn)步，但電池組高效均衡技術(shù)方面的研究還處于起步階段。均衡技術(shù)研究分為均衡控制策略和均衡電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)及硬件實(shí)現(xiàn)方式兩個(gè)方面。實(shí)際應(yīng)用的在線均衡策略以電池外電壓作為控制對(duì)象，由于外電壓不能有效的反應(yīng)電池的實(shí)際內(nèi)在差異，所以均衡效率和效果均不理想；在硬件方面主要采用電阻旁路放電均衡，均衡電流受到發(fā)熱量的限制而很難提高。
電池組一致性及均衡策略：
電池組的一致性問題是指在電池組內(nèi)串聯(lián)單體電池之間在容量、內(nèi)阻、SOC等方面的差異性，這直接決定了整組電池的使用性能，從而影響到電動(dòng)汽車的動(dòng)力性和續(xù)航里程。
造成電池不一致的重要原因包括：生產(chǎn)過程出現(xiàn)的不一致，電池生產(chǎn)工藝及材質(zhì)的差異性，造成電池之間在初始容量、直流內(nèi)阻、自放電現(xiàn)象和充放電效率等性能方面存在差異；電池初始性能參數(shù)的差異在使用過程中形成累積；電池初始性能參數(shù)的一致性問題在使用過程中被放大；電池使用環(huán)境的差異對(duì)電池組一致性問題存在較大影響。
由于電池的不一致性來自于電池內(nèi)阻、容量和SOC，而傳統(tǒng)一致性評(píng)價(jià)方法和均衡方式以外電壓一致性作為控制目標(biāo)，并沒有有效地提高電池組的可用容量，所以也不能改善電池組一致性問題對(duì)成組電池使用造成的不良影響。
由于直流內(nèi)阻、極化電壓、最大可用容量為電池的特定參數(shù)，在一次或持續(xù)的幾次充放電過程中基本不發(fā)生變化，所以電池組的均衡主要通過調(diào)整各單體電池的SOC來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)研究，以SOC作為均衡的參考對(duì)象，均衡對(duì)象相對(duì)固定，充分利用均衡時(shí)間，提高均衡利用率來降低均衡電流容量。
以電池的SOC為控制對(duì)象，通過對(duì)單體電池充放電的方式來縮小電池之間SOC的差別。首先要確定均衡目標(biāo)，通常為了提高均衡的效率以及充分發(fā)揮充放電均衡的優(yōu)勢(shì)，將該目標(biāo)設(shè)定為電池組的平均荷電狀態(tài)值(SOC)。并同樣設(shè)置均衡控制帶(dSOC)來防止均衡的波動(dòng)，有關(guān)SOC偏高的單體進(jìn)行放電均衡，反之則進(jìn)行充電均衡。然后可以利用各只電池SOC之間的差值(ASOC)以及額定容量計(jì)算出每節(jié)電池所需的均衡容量，通過計(jì)量容量的方式來完成均衡。該均衡策略判斷流程如圖1所示。基于SOC的均衡策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)提高電池組容量利用率的目的，同時(shí)還解決了一致性問題對(duì)電池組狀態(tài)識(shí)別影響的問題。由于均衡過后各電池的SOC趨于一致，所以電池組的SOC就等于容量最差單體電池的SOC，通過這種方式來修正SOC，可以大大降低電池組SOC的估算復(fù)雜程度。
電池組一致性及均衡策略：
電池管理系統(tǒng)主要由單體電池電壓檢測(cè)模塊、均衡模塊、電池溫度檢測(cè)模塊、電流檢測(cè)模塊、CAN通信接口、MCU及其他外圍電路單元組成，分別完成電池組單體電壓檢測(cè)、均衡管理、溫度采集、電流采集、CAN通信等功能。電池管理系統(tǒng)通過對(duì)采集到的電池電壓、溫度及電流數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線分析，以評(píng)價(jià)電池組當(dāng)前的工作狀態(tài)，并通過CAN總線告知整車、充電機(jī)或其他控制器，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化駕駛和充電管理，并在充電階段根據(jù)均衡算法對(duì)電池組進(jìn)行充放電在線均衡。
充電均衡電路是通過變換器將整組電池的能量轉(zhuǎn)移到單體電池，采用多級(jí)變換結(jié)構(gòu)，利用可控開關(guān)將SOC較低的單體電池連接至充電均衡電路實(shí)行充電均衡。為了能夠?qū)獾娜萘窟M(jìn)行計(jì)量，充電均衡變換器工作在恒定電流模式。放電均衡電路將SOC高的電池能量通過轉(zhuǎn)移或消耗的方式實(shí)現(xiàn)SOC調(diào)整。
基于SOC的均衡策略是通過減小電池之間的SOC差異來實(shí)現(xiàn)電池組均衡，從而提高電池組容量利用率。
本文針對(duì)當(dāng)前電池管理系統(tǒng)在電池在線均衡存在的技術(shù)瓶頸，提出了基于SOC的電池均衡控制策略及充放電均衡一體化的電池管理系統(tǒng)解決方法，該方法能有效的改善電池組一致性，提高電池組容量利用率，提高電池組整體性能。今后的研究可以對(duì)電池的均衡控制帶的大小進(jìn)行優(yōu)化，在電池控制帶縮小和電池均衡波動(dòng)性之間的關(guān)系做細(xì)化研究，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化選擇，進(jìn)一步提升均衡性能。
更多鋰電池小知識(shí)請(qǐng)關(guān)注我們公眾號(hào)：
鋰電池充放電均衡一體化的電池管理系統(tǒng)解決方法
