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平衡混合動力/電動汽車電池組以延長工作壽命

上網時間: 2012年03月15日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:混合動力  電動汽車  電池  LTC6803-1  BMS 

控制策略

電池監視系統硬體的控制程式設計為既監視電池狀態,又管理電池不平衡。該系統的被動平衡功能可以導通或斷開,以決定平衡對電池組的影響。實驗室測試在Turnigy公司製造的兩個相同的電池組上以及通過多個充電/放電週期進行。為了比較方便,僅監視第一個電池組,以確保每顆電池的電壓都保持在正常工作範圍。第二個電池組既受到監視,又接受週期性被動平衡。這個實驗中使用的兩個電池組由6個串聯鋰離子聚合物電池組成,總容量為2.2AHr。單個電池的最大終端電壓為4.2V,最小終端電壓為3V。為了類比即時使用情況並加速老化,兩個電池組都在電池監視系統的監視下連續充電和放電。放電週期採用固定的2C至3C、4.4A至6.6A速率,同時電池以1C至2C、2.2A至4.4A的恆定電流充電。基本監視系統設定為監視單個電池電壓的欠壓和過壓情況以及任何過流故障。在放電時,電池組中任何電池若達到3.005V的欠壓限制便會終止放電週期。在充電週期,如果電池組中的任何電池達到了4.19V的過壓狀態,電池充電便會終止。每個電池組都重複充電和放電100個週期,以加速老化。

被動平衡的目標是調整電池組中所有電池的SOC,以便能夠從電池組中安全地汲取最多的能量。被動平衡器不產生或向電池組提供電荷,這意味著,電池組中容量最低的電池將決定電池組的有用容量。為了最大限度地提高電池組的容量,平衡器需要確保使容量和SOC較低的電池完全充電和放電。僅當電池能完全充電和完全放電時,該電池儲存的總能量才能使用,這意味著最薄弱的電池應該是最先完成充電和放電的電池。對被動平衡方法的主要憂心之處,是能否識別具較高容量的電池。電池的SOC體現在電池的開路電壓中,也是剩餘能量的百分比指示器。兩顆電池有相同的SOC,不代表這兩顆電池儲存了相同數量的能量,與容量較低的電池相比,在給定SOC下,容量較大的電池儲存的能量總是更多。

平衡軟體控制演算法用來利用充電器協調平衡,而且在充電週期開始時啟動。既然被動平衡僅能從電池組去除能量,那麼當電池組放電時,平衡就沒有意義了。這也排除了使容量較低的電池和容量較高的電池SOC相等的可能性,這在放電時會降低可用容量。充電週期一啟動,就將電池電壓儲存,然後才連接充電器。在充電週期開始時,平衡器應該決定哪一顆電池的電壓最低,這顆電池將被稱為Clow。充電週期結束的標誌是,某一顆電池達到預定的最大電壓限制,當充電週期結束時,電池電壓再次儲存。在兩種情況下,電池電壓都是用無負載電流測量的,而且經過了短期穩定。如果充電週期結束後,所測得的Clow電壓不是最高電壓,那麼就需要平衡。充電週期之後Clow的電壓設為Vbalance。對於電池組中所測得的電壓高於Vbalance的電池,要啟動泄放電阻器。平衡開關應該保持導通,直到所有電池電壓都等於Vbalance電壓為止。達到平衡以後,電池恢復充電,以使電池完全充電。為了觀察無源平衡的影響,做了兩個測試,結果如下。

測試結果:電池組1

電池組1經過了100個充電/放電週期,圖3顯示若干週期後記錄6顆電池的電壓。該圖顯示,經過短暫停頓後,在一個完整的充電週期結束時所測得的電池電壓。充電後,電池電壓之間的不平衡與容量和內部電阻的小量變化有關。在第一個完整的週期中,測得的電池組容量為2.072AHr,經過100個週期後,所測得的容量為2.043AHr,隨著週期數增加,容量有少量下降。還有一種趨勢,即隨著充電/放電週期數的增加,充電後電池的最終電壓下降了,100個週期以後,這種趨勢尤其顯著。這種趨勢最有可能是因為電池老化引起電池內部電阻的小量增加導致的。內部電阻增加使電池更快地達到充電結束門檻。儘管在工作時沒有平衡,這個電池組在100個週期中自始至終保持著同樣程度的不平衡。能像這個電池組一樣,每顆電池自然而然相互匹配的電池組相當罕見。


圖3:充電週期之後電池組1中電池的電壓。


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