动力锂电池组

动力锂电池组（精选7篇）

动力锂电池组 篇1

1引言

为了达到一定的电压和功率,电动车需要大量锂电池串联成组使用。由于技术及工艺限制,在制造过程中,各单体电池初始容量、电压、内阻等电池特性不可能完全相同,导致在充放电过程中,性能较差的电池会过早的达到极限电压,影响电池组的整组可用容量[1]。另一方面,锂电池的抗滥用能力较差,加之目前锂电池在电动车上的应用时间并不长,应用技术还不完善,使锂电池滥用几率大大增加, 以致影响整组电池的循环寿命。严重的还会出现“反极”现象,大大降低了电动汽车的动力性能。因此在电动车工作过程中,电池间的一致性是决定电池寿命的一个非常重要的因素,为减小这种不一致性对锂电池组的影响,在电池组的充放电过程中进行有效的均衡控制具有重要意义。

2常用均衡方案分析

目前,已经应用或者已经研究过的均衡方案主要有以下几种:①涓流充电方案:充电末期的小电流充电;②放电均衡方案:每次充电前将每个单体电池分别通过同样的负载放电至同一水平,再进行恒流充电;③电阻并联均衡方案:通过各单体上并联的电阻消耗过多的能量;④电感均衡方案:通过电感作为储能元件转移能量;⑤电容均衡方案:利用电容的储能特性,进行电池间的能量转移;⑥变压器集中均衡:通过变压器将整组电池的能量分别对各单体进行能量的转移[2]。

以上的均衡方案确实可以起到一定的均衡作用,但是从实现的成本、难度以及实际的使用效果来看,仍然很不理想。涓流充电均衡时仍可能存在过充的问题;电阻均衡方案中会产生能量损耗,同时产生的大量的热能难以管理,而且在电池容量较大的情况下,所需电阻的功率较大,不易实现;电感均衡方案所需均衡的时间长,不符合电池快速充电的要求;电容均衡方案中开关的频繁切换也会消耗很大的能量,且均衡电流较小,均衡时间很长;变压器均衡方案中过多的副边给此类变压器的设计和实现带来很大的难度[2]。

同时,上述方案的均衡控制都与电压检测精度密切相关,如果不能保证较高的电压检测精度,则均衡效果很难保证,而单体电池电压的精确测量也是目前使用过程中的难点。另外,根据锂电池的充放电特性,在锂电池的工作曲线的中间阶段,即锂电池的充放电平台相当平稳,而且所占比重很大。因此,这个阶段即使电池间出现较大的SOC差异,在端电压上也表现不出来,这也影响了上述均衡方案的使用效果。

3 充电均衡控制方案

从锂电池的不一致性分析和充放电过程可知,电池组的容量和寿命的缩短主要是由电池的充电不均衡造成的[3]。电池组使用初期,单体电池间容量存在一定的差异,整组充电时容量小的电池会首先被充满,此时电池充电并未结束,小容量的电池则会被过充,容量减小。放电时,小容量电池又会首先放完电,由于电池组仍在放电,小容量电池会过放,容量进一步减小。在这样的使用过程中,容量小的电池一直处于恶性循环中,恶化到一定程度,就会严重影响整组的性能。因此,如果在电池组的使用初期,在充电过程中实现充电电压的均衡,同时设置单体电池的放电电压下限,就能有效地防止电池组的过充过放问题,从而延长电池的寿命。

通过上述分析,本文采用充电均衡控制方式,即采用主、辅充电结合的均衡模块实现充电控制。均衡电路的原理框图如图1所示。

其工作过程是:充电开始时,主充电机对电池组进行大电流充电,使电池能量快速得到补充;当电池组中的某节单体电池电压已达到设定上限电压时,主充电机停止工作,均衡模块进入均衡模式,进入分块补充充电阶段。在这种状态下,均衡模块根据单体电池电压分布情况进行充电策略的调整,将电池组实时地分块,通过开关阵列切换快速地找到当前最大的块,即连续串联未充满的单体电池数量最多的组块,然后通过主充电机与均衡模块的配合,进行补充充电,如此不断寻找下去,直到所有的电池都充满为止,系统停止工作。

4均衡电路的实现

均衡电路的核心是开关网络电路[5] ,而开关网络电路的核心是电子开关,电子开关的选用应该要遵循实用性强的原则。目前,几种主要的电子开关比较如表1所示[6]。

本文选用MOSFET作为电子开关的主要元件。功率MOSFET多为增强型,分为NMOS和PMOS两种不同类型,本文中的每个开关单元都由两个电子开关组成,因此场效应管可有四种不同的形式,分别为NMOS/NMOS、PMOS/PMOS、NMOS/PMOS、PMOS/NMOS这四种组合。

因为原理上的差别,目前的技术条件下,PMOS较NMOS难以实现[4],对于同等级的MOSFET,PMOS成本较高,因此本文选用双NMOS的方案。

MOSFET作为开关,需要得到足够的栅—源电压才能导通。根据MOSFET连接方式的不同,用于提供其栅—源电压的方式将有所区别,源极和控制板连接的MOSFET,其栅极驱动电位对应控制电源两端的电位;源极电池一端相连的MOSFET,其驱动电位对应所连接的单体电池的电位。图2通过光耦实现了这两种不同情况下的栅极驱动。

(a)栅极驱动电位对应主控电流源电位的模式(b)栅极驱动电位对应电池单体电位的模式

这一电路通过光电转换的形式将电路的功率部分和数字部分分开,并通过控制信号COUT1和COUT2分别控制开关单元中的两个开关。图2中的a端均表示的是与单体电池的相连端。在图2(b)的实现中,引入了一个具有双向模拟开关特性的传输门TG[5],用以将控制电路的地电位耦合到MOSFET的源极上。这样的话,就可以将原本需要在电池单体电位上叠加的电压转化到在控制电路的地电位上叠加。

基于以上的设计,均衡模块的控制电路的地电位必须相对于组间单体电池地电位浮动。因此一个DC—DC隔离型电源将被引入系统中,为开关单元提供驱动电源,本模块中的开关单元采用了NMOS/NMOS的结构,其栅极驱动电位、分别由主控电流源和电池单体决定。所以,电流源提供的驱动电压被连入开关单元的端,而端由耦合后的正电压来提供。如图3所示,将每个开关单元的地电位采用相同的电阻R连接到其对应的单体之上,以适应相邻单体间的电位差异,从而使多个开关单元隔离耦合后的地电位只有一点。对一个能连接n个单体的均衡模块,已知其中单体间的电位分别为,在没有任何一个开关单元打开的情况下,其地电位满足式(1):

undefined (1)

随着开关单元的打开,地电位也会由其中的传输门连接到u0～un之间的各点上。这样一来,会使每个开关单元的单体连接端a相对于地电位的电压VP3发生改变:

VP3=uP3-uv0 (2)

如认为每个单体两端的电位差近似都为U,则有ui=u0+iU。对应第k个开关单元,若此时地电位被连接在第m个单体之上,则VP3可表示为:

5均衡控制算法

对于上述的均衡硬件电路,均衡效果完全取决于控制算法的优劣。因此,均衡控制算法的设计目标就是利用硬件电路的特点,尽可能地让电池组中每个单体电池都能均衡地充满[6]。具体的控制流程为:在主充电机充电的过程中,一旦检测到电池组中有一个单体电池首次达到上限电压,则记下该电池的编号,并停止主充电机的工作,然后通过对未充满的电池进行分块,编号连续且均未到达过上限电压的电池分为一块,通过对每块中的电池数量的计算,找出数量最多的组块,将主充电机连到该块两端进行充电,当再次检测到有单体电池首次达到上限电压,重复之前的操作,如此循环下去,直到电池组中的所有单体电池都达到过上限电压为止,说明充电完成。程序控制流程图如图4所示。

图中的表示电池组中首次达到上限电压的单体电池的电压, 表示单体电池的上限电压,n表示达到过上限电压的电池数,表示整个电池组的正极开关,表示整个电池组的负极开关,表示最大组块的正极开关,表示最大组块的负极开关,N表示串联在电池组中的单体电池数。

6结语

本文提出的均衡方案的优点是在保证充电速度的同时,又使每节单体电池在充电过程结束后既不会欠压也不会过充,且电压保持均衡;充电过程中的能量损耗比较少;本方案也具有较好的扩展性,可根据电池数量的增减灵活地调整均衡模块的数量,相信随着新的电子开关的出现[6],均衡方案将会更加灵活高效。

摘要：文中在分析动力型锂电池组不一致性形成及扩大原因和比较研究现有电池组均衡方案的基础上,提出了一种新的充电均衡控制方案,给出了均衡电路实现方法和控制算法。该均衡电路以功率场效应管构成的新型开关阵列为核心,试验表明:新方案对提高锂电池组充电效率,减小组内单体电池个体差异,提高电池组动力性能和延长锂电池组使用寿命具有较好的效果。

关键词：锂电池组,不一致性,开关阵列

参考文献

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动力锂电池组 篇2

电动汽车对环境友好,能量利用率高,在如今环境污染严重、石油资源有限的情况下,成为未来汽车产业的发展趋势[1]。世界各主要国家,包括美国、日本、德国、 法国等,都投入了很大的力量进行电动汽车研发。混合动力汽车是在传统驱动系统的基础上引进了电力驱动系统,与纯电动汽车相比,它有较长的行驶里程;与传统的内燃机汽车相比,它改善了燃油的经济性[2]。

目前,混合动力汽车已经全面进入产业化阶段,许多大公司推出了多款混合动力量产车型,其中丰田第三代Prius,节油效果可以达到50%以上,百公里油耗下降到4.7升。截至2014年9月底,混合动力车的全球累计销量已经突破700万辆,达到705万辆[3]。

然而,电池技术一直是电动汽车发展的瓶颈。在现有电池技术下,锂电池较铅酸电池、镍氢电池等而言具有能量密度高、工作电压高、无记忆效应、循环寿命长、 无污染、质量轻、自放电小等优点,成为动力电池的研究重点。但是,电动汽车的电压要求在100 V以上,需要数十个电池单体串联,并且为满足汽车续航所需电池容量,需要在串联基础上并联进行扩容。由于电池的生产工艺限制,锂电池单体之间存在容量、电压、内阻等的不一致,即使在同一批电池中也存在差异,并且随着使用时间和循环次数的增加,电池容量衰退和老化过程的不同还会加剧电池的不一致性。电池单体间的不一致性, 会导致电池组整体性能下降,缩减电池组寿命。

串联电池组性能取决于电池组性能最差的那个电池单体,并且在充放电过程中,由于电池单体间的容量不一致可能造成个别单体电池的过充或过放。

在并联电池组中,电池单体不一致性会出现电流不均衡,并联支路电流同时受到本条支路参数和其他支路参数影响[4]。

由此可见,电池组的串并联方式,不仅影响宏观上的电量和电压,在微观上也会影响单体的寿命。通过研究合理的锂电池成组方式,辅以具有均衡模块的电池管理系统(Battery Management System,BMS),可以有效提高电动汽车电池组寿命,优化电池性能。

1传统电池组成组方式

1.1先串联后并联成组方式

电动汽车用动力电池组要求提供高电压,这就意味着需要大量电池单体串联,如三菱汽车“i-Mi EV”的电池组由88个电池单元串联配置。传统大型动力电池组成组方式是先串联几十或上百个单体成为一个模块以达到预期电压要求,然后并联3~4个模块,达到电池组的容量要求,其连接方式如图1所示。

这种电池组成组方式容易实现,方便管理,但存在可靠性不高的缺点,容易发生危险。一旦某节单体电池出现故障,整个电池组性能会急剧下降变得不可使用, 如果汽车在行驶过程中遇到此情况而未经恰当处理,很可能会出现爆炸等安全事故。

1.2先并联后串联成组方式

先并联后串联成组方式如图2所示。

这种成组方式可靠性大大提高,因而有比较多的应用,比如北京奥运会纯电动大巴采用104个模块串联, 每个模块由4个单体电池并联的成组方式;松下公司2009年的“CEATEC JAPAN”上公开的电池模块串联配置了7个由20个电池单元并联而成的子模块[5];在Tes-la Roadster的电池组中每69节并联为1组(brick),再将9组串联为1层(sheet),最后串联堆叠11层构成[6]。

该成组方式可以在单体电池故障的情况下继续行驶,但一旦出现故障对剩余电池的性能有较大影响,需要及时维修和更换。但现有电池组一般固化为车身一部分,与车体无法分离,难以拆卸。

2一种双锂电池组供电方式

2.1双锂电池组工作原理

提出一种双锂电池组供电方式,结构如图3所示。 电池组分A,B两组,根据混合动力汽车对电压的需求, 将一定的电池单体串联后封装成电池组A和B。电池组通过单刀双掷开关SPDT2、电压检测器与电动机相连。供电时,单片机控制SPDT2与电池组A连通,则A组供电,B组挂起。同时,电压检测器将输入电压U与最低参考电压U0相比:若高于U0,则输出电压等于输入电压;若低于U0,则反馈信号触发SPDT2切换到电池组B,此时B组供电,A组挂起,并依此方式循环自动切换供电电池组[7]。单片机通过控制单刀双掷开关SPDT1使充电机对非供电电池组进行充电,只有当两个电池组都低于U0时,充电机才对供电电池组进行充电。单片机控制SPDT3分时采集电池组A,B的电压,检测电池状态。

这种设计舍弃并联扩容的方式,采用双锂电池组供电方式达到预计电池组容量。不仅可以减少因为不一致性产生的不平衡电流,而且串联方式更方便电池管理。更重要的是,由于混合动力汽车的特殊性,在行驶过程中可以给电池组充电,使得双锂电池组同时充电和放电的设计可以进一步节省燃油,提高能量利用率。

2.2一种高可靠性的双锂电池组供电方式

在前文提出的双锂电池组供电的基础上,提出了一种改进方法,通过增加部分冗余电池来提高电池组的可靠性。如图4所示,与前文不同的是,该设计中电池组A, B内部不再是单纯的串联,而是首先以n个电池单体串联且封装成最小替换单元,再将m个最小替换单元串联成电池组,满足混合动力汽车的电压需求,同时冗余1个最小替换单元。在突发故障后可替换故障单元继续工作,并且维修时只需将故障单元卸下替换即可。

根据一定的算法在每一次供电、充电切换时,从2m+1个最小替换单元中选出m个串联成电池组A(供电组);再选出m个串联成电池组B(充电组),进行一次供电、充电,并保证所有电池单体使用频次相同,冗余的最小替换单元内的电池也参与供电,降低因老化程度不同而导致的不一致性加剧。

下面通过例子进行具体说明。设定电池组供电电压为355 V左右,电池单体电压3.7 V,单体个数在200个以上,电池组结构如图5所示。以48个电池单体串联组成一个最小替换单元,2个最小替换单元串联成一个电池组,供电电压为355.2 V。同时冗余1个最小替换单元,即共有5个最小替换单元,240个电池单体。

将最小替换单元编成1~5号,正常供电时,按照表1调度使用。不难发现,4次切换后所有电池单体的使用频次已经相同。

当出现故障单体时,立即切换两组电池组状态,并且屏蔽故障单体所在的最小替换单元,用剩余4个单元继续供电。虽然电池组总体容量下降,但不影响汽车正常行驶,也不损害剩余电池性能,这点优于先并联后串联成组方式的电池组,使得电池组寿命及可靠性大大提高。此外,通过合理管理,可以进一步提高电池组的可靠性。首先,在供电电压相同的情况下,根据电池组内最小替换单元数不同,可分为以下工作模式,其中模式1上文已具体说明,其他模式以此类推,如表2所示。

若进一步提高可靠性,可通过模式转换的方式排除故障。比如,在模式1的情况下,出现了故障单元,可立即重新编组,转换为模式2。由于模式2比模式1少了16个电池单体,可通过检测将故障范围缩小到16个单体之内,将这16个单体屏蔽,剩余224个单体以模式2继续工作。

此时仍可提供有冗余的可靠供电。理论上来说,模式1具有5重可靠性保障,也就是可以逐次从模式1转换到模式5,再加上最后模式5的冗余保障。但出于电路复杂情况的考虑,不可能实现这么多模式的转换。但如果只实现一次模式转换,则只需在特定的电池单体节点处设置特殊开关,在必要情况下进行模式转换。该方法可保证在电池出现故障后短期内不进行电池维护。

3结语

串联锂电池组电压测量新方法 篇3

串联锂电池组广泛应用于手携式工具、笔记本电脑、通信电台以及便携式电子设备、航天卫星、电动自行车、电动汽车、储能装置中。为了使电池组的可用容量最大化并提高电池组的可靠性,电池组中的单体电池性能应该一致,从而需对单体电池进行监控,即需要对单体电池的电压进行测量。

1 不同端电压测量方法比较

人们在研究锂电池监测系统过程中,提出了许多串联电池组单体电池端电压测量方法。主要有以下几种:

1.1 直接采样法

直接采样法采用线性运算放大器组成线性采样电路[1,2],经模拟开关选通要采样的通道,后经电压跟随器送入嵌入式微处理器,但是该电路存在电阻匹配和漏电流的缺点。

1.2 V/F转换法

V/F转换法在多路输入信号的选择上采用模拟开关进行选通[3],在模拟信号的转换上用可编程定时器的V/F转换器。但采用V/F转换作为A/D转换器的缺点是响应速度慢、在小信号范围内线性度差、精度低。用光电隔离器件和大电解电容器构成采样、保持电路来测量电池组中单只电池电压。此电路缺点是在A/D转换过程中电容上电压会发生变化,导致测量精度降低,并且电容充放电时间及晶体管和隔离芯片等器件动作延迟导致采样时间较长。

1.3 浮动地技术测量电池端电压

由于串联在一起的电池组总电压达几十伏,甚至上百伏,远远高于模拟开关的正常工作电压,因此需要使地电位随测量不同电池电压时自动浮动来保证测量正常进行[4]。该方法虽然可以达到较高的测量精度,但是地电位经常受现场干扰发生变化,不能对地电位进行精确控制,影响整个系统的测量精度。

在比较了以上各种方法的基础上,本文提出了一种测量端电压的新的方法。与以往的方法相比,采用光电继电器,解决了漏电流的问题,并且重新设计了投切电路,使其所需的光电继电器的数量比参考文献[1]和[5]减少一半,减小了体积,成本大大降低。

2 电压测量电路设计

为了不将噪声引入单片机系统。采用线性光耦HCNR201将噪声信号与单片机系统隔离开来。电压测量电路如图1所示。

电路主要由线性光耦HCNR201和运算放大器组成,其中为第n节电池的正极电压,为第n节电池的负极电压,Vn为第n节电池的电压。在隔离电路中,通过调整R1来调节初级运放输入偏置电流的大小,C起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管LED受到意外的冲击。R3可以控制LED的发光强度,从而对控制通道增益起了一定作用。因此电阻R1、R2、R3的选择是有限制的。

由图1可得:

式中VD1为D1的正向压降。

因为I1≈0.004 8If,所以将式(2)代入式(3),可得:

则:

令R1=208.33R3,则:

因为R3=(VO1-VD1)/If,将公式(6)代入上式:

由图1得:

由图1及公式(2)得:

令Vout=Vin,则:

由于器件参数的离散性,I1近似等于0.0048If,K3=I2/I1≈1,又因为K3=I2/I1,所以R2=R1,但R1、R2、R3尚需在估算值附近调整,力求获得最佳线性度。光电导模式下的电压测量Pspice仿真曲线如图2所示,取R1=100kΩ,R2=100kΩ,R3=200Ω,进行Pspice仿真,当电池电压从0 V到5 V变化时,测量电路有相当高的测量精度。

3 测量电路及工作原理

由于系统由8节锂电池串联组成,如果直接测量8节锂电池的电压,运放的输入电压将高达三十几伏,这已超出绝大多数运放的工作范围。

针对目前应用比较广泛的8串锂电池组,本文通过采用一种新电压测量电路,大大减小了测量电路点的体积和成本。测量电路如图3所示。通过光电继电器将单节电池的电压直接投切到测量电路输入端,并且浮动测量电路的地使其与被测单体电池具有相同的地电位。这样就解决了直接测量时输入电压值最高不会超过5 V,串联电池组输入电压过高的问题,同时由于省去了飞跨电容,在A/D转换过程中电压波动小,提高了测量精度。

图3中的开关S 0~S 1 2对应于光电继电器RELAY0~RELAY12。测量第一节电池(BT1)两端电压时,闭合RELAY0、RELAY1、RELAY9、RELAY10。测量第二节电池(BT2)两端电压时,闭合RELAY1、RELAY2、RELAY11、RELAY12。以此类推,被测量的单体电池不同,所需闭合的光电继电器也需跟着相应地改变。两个运放选用高精度运放OP07以提高测量精度。运放AR1通过15 V直流电源供电且此直流电源地随着测量电池的改变而改变,以确保运放正、负两端的电势差为固定的15 V。光电继电器(RELAYn)选用松下公司的AQW21OEH,结构如图4所示。

AQW21OEH光电继电器为2集成器件,一个芯片可以实现2个开关的作用,通过控制端来控制开关的通断。但是应该注意的是,由于光电继电器开关有一定的导通内阻,所以在选择电阻时应作一些调整,否则会造成一定的测量误差。

4 结语

本文提出了一种串联锂电池组电压测量新方法,它的硬件电路主要由线性模拟光耦,光电继电器和高精度运放组成,通过使用光电继电器投切的方法将单体电池的电压投切到测量电路,解决了电池测量中漏电流的问题。相对于以往的投切电路而言,这种电路拓扑使用的光电继电器数目可减少近一半,大大地降低了成本,具有很好的实用价值。

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一种锂电池组均衡管理方案设计 篇4

目前关于锂电池组均衡管理的研究中, PARKHS等[3]利用多副边隔离变压器来均衡锂电池组的充电, 该方法避免了电流过大对电池组造成损害, 但缺点在于变压器的副边数导致调整电池数量的灵活性有限。黎继刚等[4]采用一种奇偶均衡电路, 该电路避免了电能的单一流向, 提高了均衡效率, 但缺点是电能的转移方向被奇偶均衡模块固定, 灵活性较低。

针对上述均衡方式的优缺点, 设计一种基于功率电感的均衡管理方案。该方案采用模块化设计[5], 可扩展性好, 以功率电感作为能量传递媒介构建双向均衡电路, 以锂电池单体的开路电压和工作电压作为均衡变量, 实现锂电池组充电及放电过程的动态均衡。

1 基于功率电感的均衡电路结构

基于功率电感的均衡电路结构如图1所示。图1中, L1为功率电感, R1为L1的消磁电阻;MOSFET用于控制均衡旁路的开启和关闭;Z1、Z2为体二极管, 用于构成放电回路。

以图中Cell1和Cell2为例, 均衡开始时, 检测Cell1和Cell2的电压值, 判定是否满足均衡条件。假设满足均衡条件且有U2>U1, 开启均衡后, 整个均衡过程分为Cell2放电、Cell1充电和电感消磁三个阶段。

Cell2放电:控制系统令MOSB闭合, Cell2、L1和MOSB构成放电回路, Cell2开始对L1放电, 将部分电能储存在L1中。

Cell1充电:控制系统令MOSB断开, MOSA闭合, Cell1、L1和MOSA构成充电回路。此时, L1对Cell1进行放电。随着放电电流的减小, 电感两端电压不足以抵消Cell1电压与MOSA正向导通电压, L1放电结束。

电感消磁:L1放电结束时, 仍有部分能量残余, 此时L1、R1、MOSA以及Cell1构成一个RLC谐振电路, 将电感L1中的剩磁耗散, 保证电路参数稳定。

2 均衡控制策略

均衡控制的流程是:首先识别锂电池组工作状态, 再根据制定的均衡变量和均衡指标来判定不一致性, 若满足均衡条件则开启均衡, 同时不断监测电池状态, 满足停止条件后停止均衡[6]。针对锂电池组处于充电、放电工作阶段分别制定了相应的控制策略,

2.1 充电阶段均衡

充电阶段均衡目的在于最大化利用电池组的容量, 避免电压较高的电池单体提前截止充电。当电池组的极差大于设定的阈值时, 且电压最高的电池单体与相邻电池单体的电压在设定的范围内, 此时按照电压由高到低的顺序依次均衡, 最终使各电池单体电压达到一致, 该均衡过程为顶部均衡。

2.2 放电阶段均衡

放电阶段均衡目的在于最大化利用锂电池组储存的电能, 避免电压较低的电池提前截止放电。在电池组的电压极差大于设定的阈值时, 且电压最低的电池单体与相邻电池电压均在设定的范围内, 此时按照电压由低到高顺序依次均衡, 最终使各电池单体电压达到一致, 此过程为底部均衡。

3 实验验证

实验采用标称电压3.3V, 额定容量20Ah的磷酸铁锂电池组展开充放电均衡实验。将均衡前后各单体电池状态进行对比, 验证均衡方案的有效性。

3.1 充电阶段均衡实验

取5节磷酸铁锂电池串联成组, 以C/3 (C表示电池充放电电流大小的倍率, 若电池容量为2000m Ah, 1C表示2000m A) 的电流进行恒流充电。第1次充电时不启动均衡, 当有电池单体电压上升到3.7V时停止充电, 充电过程曲线如图2所示。

对上述磷酸铁锂电池组进行放电, 当有单体电池电压降为3.0V时放电停止, 搁置一段时间后, 进行第2次恒流充电时启动均衡管理, 此时充电过程曲线如图3所示。图4为启动均衡前后Cell1充电过程工作电压对比曲线。图2、图3对比可以看出, 启动均衡后电池组中单体电池到达充电截止电压的时间不断后延, 表明电池组充入了更多的电量。根据图4可以计算出, 启动均衡后Cell1的可充入容量增加了至少1.4Ah以上。

3.2 放电阶段均衡实验

再取5节磷酸铁锂电池串联成组, 充满电后以1C电流恒流放电至有单体电池电压降为2.7V时截止, 放电曲线如图5所示。重新充满后, 启动均衡管理后仍以1C电流恒流放电至2.7V时截止, 放电曲线如图6所示。图7为启动均衡前后Cell3放电工作电压对比曲线。从图5、图6对比可以看出, 启动均衡后电池单体放电到截止的时间不断后延, 表示电池组放出了更多的电能。根据图7可以计算出, 启动均衡后Cell3的可用容量增加接近6.2%。由此可见, 均衡系统改善了电池组不一致性, 提高了电池组容量利用率。

4 结论

对磷酸铁锂电池组进行均衡管理, 改善其使用过程中的不一致性, 提高了电池组容量利用率, 充分发挥每节电池单体的性能, 同时调整了性能较差电池充放电工况, 延长电池组使用寿命。本文以功率电感作为能量传递媒介构建双向均衡电路, 建立适用于电池充放电阶段的均衡管理策略。最终实验证明, 在锂电池组充电和放电模式下均衡管理方案行之有效。

摘要：以改善锂电池组在使用过程中因单体电池差异性而造成过充过放现象为目的 , 设计了一种简单高效的锂电池组均衡管理方案。在均衡电路上, 采用能量非耗散型电路结构, 以功率电感作为能量传递媒介来实现电能在电池单体间的双向转移;在控制策略上, 将单体锂电池开路电压和工作电压作为均衡变量, 以电压极差作为不一致性评价指标, 分别建立适用于锂电池组充电与放电阶段的均衡控制策略。实验结果表明, 该方案能够有效地改善电池组的不一致性。

关键词：锂电池组,功率电感,能量转移型,双向均衡

参考文献

[1]王震坡, 孙逢春, 张承宁.电动汽车动力蓄电池组不一致性统计分析[J].电源技术, 2003, 27 (5) :438-442.

[2]雷娟, 蒋新华, 解晶莹.锂离子电池组均衡电路的发展现状[J].电池, 2007 (1) :62-63.

[3]PARK H S, KIM C E, MOON G W, et al.Charge equalization with series coupling of multiple primary windings for hybrid electric vehicle Li-ion battery system[J].IEEE, 2007 (6) :266-271.

[4]黎继刚, 张寅孩, 林俊, 等.基于DSP的动力锂离子动力电池奇偶均衡充电电路[J].工业控制计算机, 2009, 22 (7) :90-92.

[5]魏学哲, 孙泽昌, 邹广楠.模块化的HEV锂离子电池管理系统[J].汽车工程, 2004, 26 (6) :629-631.DOI:10.3321/j.issn:1000-680X.2004.06.001.

我国动力锂电池行业的发展现状 篇5

1 国内外动力锂电池政策

1.1 美国

2008年9月, 美国设立了一个“先进汽车技术贷款项目”以拯救身陷金融危机之中的美国汽车制造业, 项目是为了促进汽车制造商改造生产线, 生产先进技术汽车而设立的, 旨在支持混合动力车、插电式混合动力车和柴油车, 并将燃料效率提高25%。

2013年3月, 美国能源部部长朱棣文宣布启动“工作场所充电计划 (Workplace Charging Challenge) ”, 鼓励企业在工作场所建设电动汽车充电设施。借此推动电动汽车在美的普及, 并为电动汽车在全球的推广树立样板。

目前, 已有13家大型企业和8家协会加入了该计划, 其中包括通用汽车、福特、尼桑、克莱斯勒等汽车制造企业, 西门子、通用电器、3M、杜克能源等制造和能源企业, 还有谷歌、Verizon等高技术企业。

美国总统奥巴马于2011年3月30日表示, 到2015年美国政府将只采购混合动力和电动汽车等新能源汽车。

1.2 日本

日本经济产业省将扩大2010年01月推出的“低碳型创造就业产业补助金”制度, 把补助总额从2009年度第二次补充预算的每年300亿日元, 扩大到每年1, 000亿日元。经济产业省之所以紧急推出该计划, 是为了防止日本具有优势的低碳产业流出日本, 到别国投资建厂。据了解, 之前在电动汽车和动力锂电池领域, 已有日产汽车和户田工业获得了美国政府的资助, 携带核心技术到美国投资建厂。

“低碳型创造就业产业补助金”制度度实施以来, 日本经产省已经对42家企业补贴了297亿日元, 目前已经享受到这一补贴的电动汽车和动力电池企业有:日产汽车、丰田汽车、本田汽车、松下、昭和电工、东芝、NEC等。

目前, 混合动力汽车的销量已经达到除轻型汽车之外的新车销量的三分之一。日本各大汽车公司把混合动力汽车视为现阶段环保汽车的主力车型, 纷纷采取措施加强研发和销售工作。

其中, 本田公司和三菱汽车工业公司准备首次推出可以利用家用电插座进行充电的插电式混合动力汽车。另外, 富士重工业公司和马自达公司也打算在2013年打入混合动力汽车市场。丰田汽车公司推出采用新型发动机的混合动力汽车, 并计划今后3年内在国内外共推出20款混合动力汽车。日产汽车公司则计划在2017年春季之前新推出15款混合动力汽车。

日本汽车研究所预计, 按现在混合动力车的普及程度推算, 到2020年, 日本国内的混合动力车将达到约360万辆。如果高性能锂电池得到更多推广, 使用量有可能进一步达到720万辆的水平。

1.3 韩国

日本的侧重点在于实现锂电技术的突破, 希望能够在大型锂离子电池领域 (混合动力、纯电动汽车等) 取得领先;韩国更加注重对市场的占领, 在消费电子领域超越日本成为世界第一之后, 大型锂离子电池领域同样保持强势。

在以三星SDI、LG化学、SK Energy等为代表的企业带领下, 韩国锂离子电池继在消费电子品领域打败日本企业之后, 在具有巨大发展潜力的汽车电池领域也将领先日本。

韩国电池厂商积极出击面向混合动力车和电动汽车等电动车辆的锂离子充电电池市场, 三星SDI和LG化学分别表示2015年将在该市场上“确保30%的市场份额”和“获得20%以上的份额”。LG化学已开始向韩国现代汽车的混合动力车供应锂离子充电电池。此外, LG化学与通用共同开发的锂离子充电电池配置在插电式混合动力车“Volt”上。Volt配备的锂离子充电电池的容量, 每辆车高达16k Wh。

1.4 中国

国家出台了很多扶持新能源汽车的政策, 锂离子电池研发项目是国家“863”的重点项目, 国家在研发上也投入了大量财力、物力。目前, 我国的汽车锂电池产业发展很快, 生产能力仅次于日本。

我国的比亚迪、万向集团、深圳比克电池、天津力神电池与美国迈尔斯的合资企业等都置身于锂电池的研究。中国的比亚迪和天津力神计划将动力电池生产容量提升至10亿Wh。近期全国在动力电池方面的投资总额为22亿美元左右。

2012年, 我国新能源汽车不仅迈过万辆大关, 配套设施也得到了同步加强。25个试点城市共示范和推广节能型2.74万辆, 其中公共服务领域2.3万辆, 私家车4400万辆。建成充电桩8107个, 充换电站174个。到财政补贴清算的时候, 预计示范推广的规模会达到3.97万辆将近4万辆的规模。

2 我国动力锂电池产业现状

全球汽车锂电池生产企业主要有二十多家, 日本则走在全球前列。有美国的A123、江森自控, 中国的比亚迪, 韩国的LG化学, 而仅仅日本就有日立制作所、东芝、日本电气、日本汤浅、丰田汽车和松下电器产业的合并公司松下电动车能源公司等十来家相关企业。

2.1 国外动力锂电池企业现状

不仅是类似菲斯科这样的小型制造商遇到市场阻力, 其他主流品牌的电动车销量也不及预期。有数据显示, 聆风2012年在美销量最终停留在9819辆, 较2011年仅提高了145辆, 未能突破10000辆大关。通用汽车增程式电动车雪佛兰沃蓝达Volt因库存过多, 不得不在去年停产5周。

同时, 电动车产业相关公司都受到直接冲击。太阳电池板生产商Solyn-dra宣布破产, 电池制造商A123和Ener Del公司也申请了破产保护。与中国车企有合作的电动车企CODA也处在裁员待售状态, 最被看好的豪华电动车制造商特斯拉过去三年一直未能摆脱亏损。

东风和吉利竞购菲斯科公司之前, 万向集团成功收购了美国电池制造商A 123。日本松下计划在年内关闭位于大阪府贝市的贝锂离子电池工厂, 并将生产业务转移至中国江苏省苏州市的工厂。世界500强企业--日本三菱化学株式会社独立投资3900万美元设立的青岛雅能都化成项目, 与此同时, 另一世界500强企业、韩国最大的能源企业--GS加德士株式会社也与青岛市达成协议, 投资5000万美元建设锂电池阴极材料项目。

2.2 我国动力锂电池企业现状

由于新能源汽车的推广和锂电池的研究, 国内很多企业投入了很大资金生产锂电池, 以及地方政府对于锂电池产业乐此不疲, 整车企业、传统汽车零配件企业、非汽车领域电池生产企业、锂电池上游材料生产企业纷纷进入动力锂电池生产领域。但是由于缺乏有效的订单及市场, 国内很多动力电池工业园及基地都处于停产或半饱和状态。

加拿大动力锂电池厂商MNKE旗下的江苏伊思达电池公司由于长期市场萎缩, 2011年6月被协鑫动力收购, 但一年半后, 协鑫动力又被迫停产。

天津产业园的动力锂电池企业主要有比克电池, 力神和天津市捷威动力工业3家动力电池厂家。比克电池天津生产基地原本是用来生产汽车动力锂电池, 但自投产以来, 只生产了部分电动自行车用锂电池和电动工具用电池, 汽车用电池并未批量生产, 捷威动力工业的现状与比克电池情况一样。北京安华联合、锦州佳得、山东英耐时、深圳天劲通和深圳联科等30多家锂电芯企业处于停产或者转产状态。

3 对我国锂电行业的建议与展望

我国作为锂电池的需求大国和生产大国, 国内生产电池的企业很多, 但是达到一定规模的却很少, 行业里鱼龙混杂的现象十分严重, 技术水平相对落后。目前国际性的动力锂电池企业亏损已经成为一种常态。最主要的原因是下游应用市场根本还未启动。目前动力锂电池在电动自行车行业的市场渗透率只有3%左右;另外一块最大的潜在市场, 纯电动汽车2011年的销量仅仅5579辆, 还不足以为动力锂电池厂家带来收益。

另外, 由于动力电池行业缺乏有约束力的国家标准, 也是动力电池发展失序的根源之一。相当一部分动力电池厂家对安全性重视不足, 生产水平也与国际巨头存在较大的差距, 还有成本等因素均制约了中国动力电池产业的发展。

在此阶段, 动力电池企业应不断加强技术创新, 政府继续补贴和提倡融资锂电企业, 提倡个人购买新能源汽车, 提升相应的市场份额。锂电企业努力提高国产锂电池产品的品质及安全性能, 使锂电池在新能源汽车领域广泛应用。

摘要：目前, 美国、日本、韩国等国家和地区出于抢占清洁能源领域制高点的战略考虑, 都特别重视锂离子动力电池产业的发展, 纷纷出台各种政策支持鼓励本国发展相关产业。全球大汽车企业积极研发锂电池, 但是大多数企业面临被迫从组或破产的困境, 文章将对此行业现状提出建议。

动力锂电池组 篇6

为了解决日益突显的能源、环保问题,电动汽车以其低噪声、零排放等优点越来越受到世界各国的关注。近两年,中央和地方各项扶持政策协同效果逐渐显现,在历经多年积淀、等待和市场考验后,我国的新能源汽车市场出现了超预期发展和增长,并带动了产业链上下游企业的高速增长;尤其是动力锂电池行业。2015年是动力电池产业爆发的一年,市场需求呈现井喷,国内外企业都看重这一产业契机,纷纷携巨资涌入市场。

2 动力锂电池简介

2.1 结构组成

动力锂电池又称为“锂离子动力电池”或者“动力锂电”,目前常用的锂电池结构一般包括正极材料、隔膜、电解液、负极材料和外壳[1]。其中,正极材料由锂金属氧化物构成,如磷酸铁锂、锰酸锂;电解质一般选择LiAsF6、LiBF4等锂盐;隔膜一般为聚烯烃多孔膜;负极材料一般为石墨,在负极性能相似的情况下,锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料;由于外壳材料的不同,锂电池有了金属外壳和软包外壳之分。有数据显示,几类主要构成材料中,正极材料、隔膜的成本占比较大,均达到了30%。

2.2 技术路线

目前常用的动力锂电池有钴酸锂电池、磷酸铁锂电池、锰酸锂电池和三元材料锂电池,不同动力锂电池正极材料性能如表1所示。

日韩的动力锂电池技术走在世界前列,主要开发以改性锰酸锂、镍钴锰酸锂或镍钴铝酸锂三元材料为正极的动力锂电池;国内大多采用磷酸铁锂电池,三元电池的研发和应用也如火如荼,但由于其安全性较低,工信部于2016年初,暂停三元锂电池客车列入新能源汽车推广应用推荐车型目录。

3 行业现状

3.1 应用现状

锂电池的下游应用市场分为消费类电子产品(手机、电脑及以此充电的移动电源等)、电动交通工具、工业&储能(移动通信基站电源、家庭储能、电网储能等)三大板块。研究发现,锂电池的需求重心正处于由消费类电子产品的小电池市场向电动交通工具和工业&储能的动力电池市场转移的发展阶段[2]。

近阶段,新能源汽车市场需求最大的是动力锂电池。近年来,随着技术快速发展,大规模生产和多场合应用使其价格急速下降,因而在电力系统中的应用也越来越多,大量建设储能电池也是中国电网发展的趋势之一。国家电网在风光储输示范项目招标中倾向于锂离子电池。在其招标公告中,招标范围提及了磷酸铁锂电池。目前,中国共有60个电网储能电池工程,从技术角度来看,有50个工程采用的是锂电池技术,总容量为58兆瓦,其中有90%的工程采用的是磷酸铁锂技术。在美国和日本,锂电池也是最广泛采用的电网储能电池技术,份额均在50%左右。

无论是电网储能电池还是汽车动力电池,锂电池将会是未来最主要的技术选择。

3.2 市场规模

全球锂离子电池产业基本上集中在中国、日本和韩国。2015年,我国已是全球最大的锂离子电池制造基地,产量已占全球45%以上。中国新能源汽车市场的超预期发展和增长,带动了新能源汽车上下游产业链的相关企业都呈现出高速增长的态势。作为新能源汽车三大核心部件之一的动力电池,市场需求呈现井喷。据工信部统计数据显示,2015年新能源汽车产量达到37.9万辆,达到2014年产量的4倍多。这意味动力电池行业在2015年的产销量大约也是4倍于2014年的数据,有些企业的增幅高达5倍以上。

3.3 产业链布局现状

面对如此巨大的市场需求,各动力电池企业都加速进行跑马圈地、融资、扩产,快速涌入动力电池相关产业。为了在高速发展的中国电动汽车市场抢占先机,三星、LG、松下等电池巨头在中国的投资加速,市场争夺战将加剧。

随着国内新能源汽车的推进,一些企业专注于自身产品技术水平提升的同时,也开始涉足产业链的上下游,进行前瞻性的布局和资源整合。各企业的新能源汽车战略规划都在往前端的电池领域延伸,除了动力总成、电池pack技术之外,整车企业还努力掌握电控和电池技术;也有一些电池企业,在电池原材料、BMS、电池pack、动力总成等领域积极展开布局,有的甚至试图掌握整车资质,直接进入新能源汽车终端市场。

4 发展趋势

业内认为,电动汽车目前最大的问题是纯电续航里程。为提升续航里程,高能量密度的三元材料电池被推上前台,而且三元材料电池正被业内普遍认为将成为未来市场主流,因为三元材料电池相对于传统的锂电池密度和续航能力都有较大改进。此外,三元的低温性与一致性较之磷酸铁锂都更胜一筹,惟一不足的是只有安全性较之磷酸铁锂稍有逊色。另外,未来可能的高能量密度材料正硅酸盐复合正极材料、层状富锂锰基材料、硫基正极材料等将受到更多关注[3]。

电池管理系统(BMS)是保证电池应用的核心部件。在电池完成一致性生产后,能够确定电池寿命的主要因素在于BMS。对于电动车而言,电池爆炸、电池自然等状况屡见不鲜。不少观点认为,中国电动汽车要“弯道超车”必须攻克BMS。目前国内BMS已基本能消除单体以至模块条件下过电压、短路、挤压等情况下的安全隐患,但整包级别的安全性仍没有完全解决。

隔膜是锂离子电池四大关键部件之一,隔膜的质量和水平直接影响电池的质量。目前隔膜市场产能过剩,但高端动力锂电池隔膜行业目前仍然供不应求,高端隔膜产品与国外产品的质量差距仍然比较大,进口依赖严重,有资料介绍,高端膜70%依靠进口,隔膜进口率超过40%。

5 结语

看似蒸蒸日上的动力电池行业,当前却呈现出小、散、乱的发展局面,盲目投资和低水平重复建设现象严重。技术路线上,我国正负极材料、隔膜等关键产品的质量稳定性还不高,蓄电池管理系统集成及控制技术比较薄弱,我国缺乏具有国际竞争力的行业龙头企业。这些都对我国动力锂电池的发展提出更高的要求。

参考文献

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动力锂电池组 篇7

appraisement

industry

point

考虑到动力锂电池的复杂工况, 本文建立了动力锂电池随温度和荷电状态变化的动态模型。首先推导出动力锂电池二阶RC等效模型, 然后通过不同温度下的放电测试数据, 利用拉普拉斯变换和最小二乘法辨识出该模型随温度和荷电状态动态变化的参数。用Matlab建立模型并仿真, 结果验证了新提出的多温度动态模型的准确性。

为了准确地反映锂电池的非线性特点, 必须建立与其实际特性相匹配的等效电路模型, 国内外学者对此作了大量的研究工作, 并取得了一定的成果。比如, 文献中使MATLAB, Simulink, Simscape通过查表法实现建立了不同温度、不同SOC (state of charge) 下锂电池模型, 但该模型缺乏理论分析和通用型;文献分析了不同温度对锂电池参数的影响;文献建立了4种电路模型, 分析了不同SOC对锂电池参数的影响。上述文献中锂电池模型能够较好地反映锂电池的特性, 但仍有不足。在此研究基础上, 本文建立了不同温度, 不同SOC的动力锂电池模型, 并通过仿真验证该模型的准确性。

锂电池模型建立及参数辨识方法

文中以二阶RC动力锂电池等效模型为研究内容, 如图1所示。其中VL表示电池的负载电压;VOC表示锂电池的开路电压, R0为电池的欧姆内阻;Rpa, Rpc为电池极化内阻;Cpa, Cpc为等效电容;两个RC并联结构反应电池的极化反应, 这些参数都是以SOC、温度为变量的函数。I为锂电池放电电流。其中τ=Rpa Cpa反应电池的短时间特性, 即放电电压快速上升过程, 而τ=Rpc Cpc反应电池的长时间特性, 即放电电压缓慢稳定过程。根据基尔霍夫定律, 得到如下公式:

为了简化公式, 方便后续的计算, 用R=R (SOC, T) , C=C (SOC, T) 分别来替换公式 (1) 中的Ro, Rpa, Rpc, Cpa, Cpc参数。对公式 (1.4) 进行laplace变换, 得到:

同理可得Vpc (s) , 整理得到二阶RC等效电路S域的方程, 如公式:

由于VL, VOC, I (s) 都是可测量 (已知量) , 所以令Y (s) =VOC (s) -VL (s) , U (s) =I (s) 则:

对上式 (4) 进行z变换, 查表可得, T为采样时间, 公式 (5) 为z域表达式, 其中H (z) 为z域的传递函数, Y (z) , U (z) 分别为Y (s) , U (s) 的z域表达式:

由公式 (5) , 得到状态模型的差分方程, 如公式:

在同一温度下进行放电测试, 放电电流不变, 即u (k) =u (k-1) =u (k-2) =I。将公式 (6) 写成最小二乘形式, 如y=Ax+ε, 其中A=[y (k-1) , y (k-2) , u (k) , u (k-1) , u (k-2) ],

y为k时刻输出量, A为已知输入量或可测试的输入输出量, x为估计参数向量矩阵, ε为残差向量。根据最小二乘法, 使得残差向量ε, 即最小 (N表示放电次数) 时, 得到x的最优估计值。

模型参数辨识

本文采用单体锂电池进行放电测试, 电池容量为1.95AH, 放电电流设置为1.5A, 放电时间设置为450S, 静置时间为30Min。放电设备为BAT-760, 支持8通道的放电测试。不同温度下, 锂电池VOC和VL的测试数据如图2所示。

图3 (a) , 图3 (b) , 图3 (c) 反映了-10℃, 0℃, 25℃, 50℃这四个温度下, 电池的欧姆内阻R0, 电池极化内阻Rpa, 等效电容Cpa随温度和荷电状态变化幅值大, 并且没有规律。另外, 电池极化内阻Rpc, 等效电容Cpc的辨识结果与电池极化内阻Rpa、等效电容Cpa在变化趋势上大体一致, 没有列出。同时考虑导锂电池实际工作的温度变化, 本文采用-10℃, 0℃, 25℃, 50℃这四个温度下的辨识结果, 通过线性插值的方法来获取锂电池实时工作时的模型参数。

锂电池模型验证

以锂电池工作在20℃为例来验证模型的准确性, 参数辨识结果如表1所示。

在Matlab中建立模型并仿真, 图4为动力锂电池在20℃下的放电曲线图。从仿真结果来看, 采用动态参数的二阶RC模型能够很好地反映锂电池的放电变化特性, 与真实测试值变化一致, 准确性明显高于采用固定参数的二阶RC模型, 尤其是在放电开始和结束阶段。

结语