动力蓄电池组

动力蓄电池组（精选8篇）

动力蓄电池组 篇1

锂离子电池因其优良的性能在手机、数码相机、便携式电脑等移动电子产品上大量使用,也是电动汽车等比较理想的动力电源,具有十分广阔的应用前景。作为电动汽车的动力电源使用时,由于高功率、大容量的要求,单体锂离子电池并不能满足要求,所以需要对锂离子电池进行串、并联组合使用。然而,单体电池之间的不一致性常常造成电池组在循环过程中出现容量衰减过快、寿命较短等问题。选择性能尽可能一致的电池用来成组,对锂离子电池在动力电池中的推广应用具有重要意义。本文分析了锂离子电池不一致性的表现及成因,总结了提高锂离子电池一致性的方法,并对现有的配组方案进行了综述。

1 不一致性分析

1.1 不一致性的定义

锂离子电池组的不一致性就是指同一规格型号的单体电池组成电池组后,其电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别[1]。

单体电池在制造出来后,初始性能本身存在一定差异。随着电池的使用,这些性能差异不断累积,同时由于各单体电池在电池组内的使用环境不完全相同,也导致了单体电池的不一致性逐步放大,从而加速电池性能衰减,并最终引发电池组过早失效。

1.2 不一致性的表现

锂离子电池不一致性主要表现在两个方面:电池单体性能参数(电池容量、内阻和自放电率等)的差异和电池荷电状态(SOC)的差异。戴海峰等研究发现,电池单体之间容量的差异分布接近威尔分布,而内阻的离散程度较容量更为显著,且同批次电池的内阻一般满足正态分布的规律,自放电率也呈现近似正态分布[2]。SOC表征着电池的荷电状态,是电池剩余容量与额定容量的比值,解竞等认为由于电池的不一致性,电池的容量衰减速率不同,导致电池间的最大可用容量存在差异。容量小的电池的SOC变化速率比容量大的电池快,充放电时更快达到截止电压[3]。

1.3 不一致性的成因

锂离子电池出现不一致性问题的原因很多,主要是在制造过程和使用过程中产生的。制造过程的每个环节例如配料时浆料的均匀度、涂布时面密度及表面张力的控制等都会造成单体电池性能的差异。罗雨等研究了锂离子电池生产制造工艺对电池一致性的影响,重点研究了水性粘结剂体系的锂离子电池生产制片工艺对电池一致性的影响[4]。

在电池的使用过程中,谢皎等认为连接方式和结构件/器件、使用工况和环境都会给电池组一致性带来影响[5]。因为每个连接点所消耗的能量不一致,每个元器件或结构件的性能以及老化速率等也都不一致,因此对电池的影响也不一致。另外,由于电池中每个单体电池所处位置不同,温度不同,性能衰减也不同,这些都会使单体电池的不一致得到放大。

2 提高电池一致性的方法

2.1 生产过程的控制

生产过程的控制主要从原材料和生产工艺两方面进行。原材料方面尽量选取同一批次的原材料,保证原材料颗粒大小、性能的一致性。生产工艺上要对整个生产过程进行严格的调控,例如保证浆料搅拌均匀、不长时间放置,控制涂布机的走速保证涂布的厚度、均匀度,极片外观检查、称重分档,控制注液量及化成、分容、储存条件等。罗雨通过对锂离子电池制备工艺技术的研究,确定了对锂离子电池一致性有重大影响的关键工艺,主要包括配料搅拌、涂布、辊压、卷绕/叠片、注液和化成,并对各关键工艺参数与电池性能的关系做了深入研究分析[6]。

2.2 配组过程的控制

配组过程的控制主要是指对电池进行分选,电池组采用统一规格、型号的电池,并且要对电池的电压、容量、内阻等进行测定,保证电池初始性能的一致性。

许海涛等通过研究,发现在电池组配组时,单体电池的电压差异是影响电池组充放电末期各单体电池的一致性重要因素,而单体电池的内阻差异则造成了电池组充放电过程中各单体电池的电压平台出现较大差别[7]。王琳霞等通过对锂离子串并联组合电池中单体电芯的不一致性研究,分析并联电池组中的主要影响因素DCR对电池组造成的影响程度和串联电池组的主要影响因素容量对电池组造成的影响程度,为组合电池包提供必要的依据[8]。陈萍等通过放电倍率对电池配组一致性的影响研究发现随着放电倍率的增大,电池的不一致性得到了放大,达到剔除不良电池的效果[9],姜翠娜等的研究也证实了这一点[10]。

2.3 使用和维护过程的控制

对电池进行实时监控。配组时对电池进行一致性筛选,可保证在电池组使用初期的一致性。在使用过程中对电池进行实时监控,可实时观察到使用过程中的一致性问题,但由于当一致性差时,监测电路会切断充放电电路,因而性能会降低。必须找到二者之间的平衡点[11]。也可以通过实时监控对极端参数电池进行及时调整或者更换,保证电池组的不一致性不会随时间而扩大。

引入均衡管理系统。采用适当的均衡策略和均衡电路对电池进行智能管理。目前常见的均衡策略包括基于外电压的均衡策略、基于SOC的均衡策略和基于容量的均衡策略。而均衡电路按能量消耗方式可以分为被动均衡和主动均衡。其中主动均衡能够实现电池间的无损能量流动,是国内外研究的热点。主动均衡中常用的方法有电池旁路法、开关电容法、开关电感法、DC/DC变换法等[3]。

对电池进行热管理。对电池进行热管理除了尽量将电池组的工作温度保持在最优的范围之内,还要尽量保证电池之间温度条件的一致,从而有效的保证各电池之间的性能一致性。

采用合理的控制策略。在输出功率允许的情况下,尽量减小电池放电深度,同时,避免电池的过充电,可延长电池组的循环寿命[1]。

加强对电池组的维护。间隔一定时间对电池组进行小电流维护性充电,还要注意清洁。

3 动力锂离子电池配组方法

3.1 电压配组法

电压配组法可分为静态电压配组法和动态电压配组法。静态电压配组法又叫做空载配组法,不带负载,只考虑电池本身,测量被筛选单体电池在静置数十天后满电荷状态贮存的自放电率以及满电荷状态下不同贮存期内电池的开路电压,此方法操作最简单,但不准确。动态电压配组法考察带负载时的电压情况,但没有考虑到负载变化等因素,因此也不准确。

3.2 静态容量配组法

在设定的条件下对电池进行充放电,由放电电流和放电时间来计算容量,按容量大小对电池进行配组。这种方法简便易行,但它只能反映电池在特定条件容量相同,不能说明电池的完整工作特性,有一定的局限性。

3.3 内阻配组法

主要考虑单体电池的内阻,这种方法能够实现快速测量,但是因为电池的内阻会随放电过程的进行而改变,要进行内阻的准确测定有一定的难度。

3.4 多参数配组法

同时考虑容量、内阻、电压、自放电率等多个外部条件对电池综合评定,可以分选出一致性较好的电池组。但这种方法的前提是单参数分选时要准确,同时耗时过长。

3.5 动态特性配组法

动态特性配组法是利用电池的充放电特性曲线来分选电池进行配组。充放电曲线能够体现电池的大部分特性,利用动态特性配组法能够保证电池各种性能指标的一致性。动态特性配组法数据多,通常采用计算机程序配合实现。此外,这种方法电池的配组利用率降低,不利于电池组成本的降低。标准曲线或基准曲线的确定也是其实施过程中的难点。

此外,李然等基于多点频谱法的电池一致性分类研究取得了良好的效果[12]。

4 结论

(1)引起电池不一致性的原因主要在电池的制造和使用两方面。

(2)提高电池一致性的措施主要有以下三方面:从原材料和生产工艺两方面对生产过程进行的严格控制;采用更科学的分选办法,尽可能选择初始性能一致的电池进行配组;在电池使用和维护过程中,对电池进行实时监控,引入均衡管理系统,采用合理的控制策略,对电池进行热管理,同时还要加强对电池组的维护。

(3)电池配组时,单参数配组法由于考虑的因素太少,不具有实际应用价值。多参数配组法和动态特性配组法相对较全面,另外电化学抗谱法等方法也取得了一定进展。

动力蓄电池组 篇2

新能源电动汽车最主要的部件是动力电池、电动机和能量转换控制系统，而动力电池要实现快速充电、安全等高性能，是技术门槛最高、也是利润最集中的部分。

新能源汽车对电池要求很高，必须具有高比能量、高比功率、快速充电和深度放电的性能，而且要求成本尽量低、使用寿尽量长。传统的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池本身技术比较成熟，但它们用在汽车上作为动力电池则存在较大的问题。目前，越来越多的汽车厂家选择采用锂电池作为新能源汽车的动力电池。

锂电池具有以下优点：体积小、质量轻、工作电压高（是镍镉电池、氢镍电池的3倍）、比能量大（可达165WH/㎏，是氢镍电池的3倍）、循环寿长、自放电率低、无记忆效应、无污染、安全性好等优点。

动力锂电池发展现状

新能源汽车未来逐渐替代传统汽油车已成为各国发展汽车产业的共识，作为核心部件的动力电池则更被企业和投资者看好。动力电池是新能源汽车发展的关键：混合动力汽车是目前最佳的过渡产品，但纯动力电池汽车是未来发展方向，核心技术在电池技术上的突破。

中国的新能源汽车电池产业起步虽晚于欧美日，但发展非常快，在锂电池的研发上也投入了大量财力、物力。国家863计划设立了电动汽车重大专项，中科院物理研究所、北京有色金属研究院、中国电子科技集团公司第十八研究所等单位参加了该项目，分别开发了EV和HEV用两类动力电池，其中一些单位已采用了安全的锰体系正极活性材料。“十一五”、863电动汽车重大专项又对HEV、PHEV（外接充电式混合动力汽车）、FCV（燃料电池车）用动力锂离子电池关键材料和电池的研发给予大力支持。

动力锂电池发展遇到的问题

目前阻碍动力锂离子电池发展的瓶颈是：安全性能和汽车动力电池的管理系统。

安全性能方面，由于锂离子动力电池具有能量密度大、工作温度高、工作环境恶劣等方面的原因，加上以人为本的安全理念，因此，用户对电池的安全性提出了非常高的要求。汽车动力电池的管理系统方面，由于汽车动力电池的工作电压是12V或24V，而单个动力锂离子电池的工作电压是3.7V，因此必须由多个电池串联而提高电压，但由于电池难以做到完全均一的充放电，因此导致串联的多个电池组内的单个电池会出现充放电不平衡的状况，电池会出现充电不足和过放电现象，而这种状况会导致电池性能的急剧恶化，最终导致整组电池无法正常工作，甚至报废，从而大大影响电池的使用寿命和可靠性能。

动力锂离子电池要得到很好的应用，技术上需要从材料、电池、管理系统、机械加工等多方面同时考虑。因此，需要锂电子生厂商及下游企业通力合作，以电池为核心，对材料、管理系统等提出要求，形成一个产业群，更有利于技术的进步和系统成本的降低。

动力锂电池材料分析

锂电池材料可分为电极（正极/负极）材料、隔膜和电解液。正极材料是锂电池的核

心，目前以钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰锂和磷酸铁锂为主。负极材料则以石墨、固体碳粒为主；在正负极中间则是电池电解液和隔膜。

3.1 正极材料

此前，锂电池成本之所以高于镍氢电池，主要原因就在于其正极材料使用的是以贵金属钴为原料的钴酸锂，锰酸锂和磷酸铁锂由于成本优势更为明显；不过，与锰酸锂相比，磷酸铁锂的容量密度更高，前者为100-115mAH/g，后者为130-140mAH/g;充放电寿命更长，前者为500次以上，后者可达1500次以上；工作温度区间更大，前者为0至50℃，后者则为-40至70℃。因此，在锂离子电池中，磷酸铁锂电池最被看好。

在锂电池产业链目前的产能比较中，由于进入壁垒较高，锂电池正极材料的产能是最小的，这是整个产业链中最看好的一个环节。

3.2 负极材料

与正极材料相比，负极材料占锂电池成本比重较低，而且国内已经实现产业化，负极材料以石墨、固体碳粒为主。目前国内从事锂电池负极材料生产的前三甲企业是中国国安、杉杉股份、长沙海容，目前负极材料基本能够满足国内市场的需求，但随着新能源汽车的逐渐普及，未来这一块的市场需求将出现巨大缺口。

3.3 电解液

国内电池生产商电解液配套也已基本实现国产化。电解液主要原材料为六氟磷酸锂，占电解液成本的50%左右，其生产成本为10万元/吨，售价为40万元/吨，毛利率高达75%，但是，目前市场基本上被关东电化学工业、SUTERAKEMIFA、森田化学等几家日本企业垄断。因此，亟待解决锂电池电解液最为关键的电解质成分六氟磷酸锂（LiPF6）的大规模生产问题。只有此项关键技术取得突破，中国的汽车动力锂电池产业链才能接近完善。

现在全球锂电池电解液市场供求基本平衡，锂电池对电解液要求比较高，但用量却很少。比如一块手机电池只用3克，比重很小，2000吨电解液可供生产6亿块手机电池。汽车动力电池可就不一样了，一辆车就要40公斤。电动车一旦兴起，将带来电解液的爆发性增长。

3.4 隔膜

随着新能源汽车的逐渐推广，未来对动力锂电池材料的需求将得到引爆。隔膜系锂电材料中技术壁垒最高的一种高附加值材料，毛利率通常达到70%以上，占了锂电池成本的20-30%。按照计算，一辆汽车就可以用到一千到两千平方米的隔膜。目前隔膜市场供应量严重不足，大部分依赖进口，市场主要被日本旭化成工业、东燃化学，及美国Celgard把持。隔膜具有典型的“高技术、高资本”特点，而且项目周期很长，投资风险较大，国内企业的投资热情并不高。

动力锂电池发展前景

据《2008-2010年中国新能源汽车产业分析及投资咨询报告》显示，结合中国的能源资源状况和国际汽车技术的发展趋势，预计到2012年，新能源汽车年产量将达到100万

辆，而预计到2025年后，中国普通汽油车占乘用车的保有量将仅占50%左右，而先进柴油车、燃气汽车、生物燃料汽车等新能源汽车将迅猛发展。

未来新能源汽车替代传统汽车趋势将成为必然，动力锂电池作为新能源汽车的“心脏”，将催生庞大的产业经济效应，对电池原材料供应商和厂商来说都是巨大的商业蛋糕。

动力型锂电池组均衡控制方案研究 篇3

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

[1]陈守平,张军,方英民,梁毅.动力电池组特性分析与均衡管理[J].电池工业,2003,6.

[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].Battery Bimonthly(电池),2007,37,(1).

[3]吴友宇,梁红.电动汽车动力电池均衡方法研究.汽车工程,2004,26,(4):382-385.

[4]张薇琳,张波,丘东元.电力电子开关器件仿真模型分析和比较[J].电气应用,2007,9.

[5]Jian Cao,Nigel Schofield,and Ali Emadi,“BatteryBalancing Methods:A Comprehensive Review,”IEEEVehicle Power and Propulsion Conference(VPPC),Harbin,China,2008.

太阳能蓄电池组 篇4

太阳能蓄电池组的作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:自放电率低、使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、少维护或免维护、工作温度范围宽、价格低廉。目前中国太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200 Ah以上的铅酸蓄电池, 一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池, 每只蓄电池的额定电压为2 VDC;配套200 Ah以下的铅酸蓄电池, 一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池, 每只蓄电池的额定电压为12 VDC。

免维护蓄电池组维护浅谈 篇5

在变电站中供给控制、信号、保护、自动装置、事故照明及直流动力设备用电, 一般都是直流电源。根据其负荷的要求, 直流电源应具有高度的可靠性和稳定性, 在严重的事故下, 电源的容量和电压质量均能保证用电设备可靠工作。由于蓄电池是一种独立的直流电源, 它在变电站发生事故时, 即使在交流电源全部消失的情况下, 才能保证其用电设备可靠而连续地工作。因此变电站通常采用蓄电池作为直流电源。

2 应用实例

目前, 在变电站中广泛地使用GFM固定型阀控密闭铅酸蓄电池 (即“免维护蓄电池”。在110kV无人和少人值班变电站中一般都采用智能型直流充电装置。这些智能充电设备能对蓄电池组的运行状态进行自动控制, 一般不需要人为进行干预。

经过多年运行实践, 发现此类装置无自动放电功能, 充电设备只能对蓄电池进行浮充、均充和主充电。而在实际运行中, 蓄电池基本上长期处于浮充电运行, 由于得不到锻炼性充放电, 长期处于浮充电运行的蓄电池, 因自放电等原因会造成蓄电池实际容量大为降低。如果遇到站用电消失时间过长或者较多开关频繁跳合闸, 欠容量的蓄电池组满足不了操作及事故处理的需要。按规定——必须对蓄电池进行周期性的大电流充放电。

采用SRF-220/30Z智能型蓄电池放电容量测试仪对蓄电池进行实际容量测试。

放电参数设置:在断开直流系统交流电源的状态下, 蓄电池组以10A的电流进行放电 (直流负荷+放电装置电流) , 预设放电时间3小时, 但在总电压降到196V以下或者有任意一只蓄电池电压降到10.8V以下, 放电终止。

从测试可以看出, 蓄电池的实际容量大大降低, 放出的容量还不到额定容量的30%, 就达到了终止的条件。

3 容量降低原因分析

造成实际容量降低的主要原因是:蓄电池组长期处于浮充运行中, 没有按时进行核容性充放电 (充电装置本身也不具备自动核容性充放电的功能) , 即未进行大电流放电 (目前断路器大都使用弹簧操作机构, 耗能较小, 充电装置就能满足其分、合闸的需要, 只有偶尔因为交流失压时短时进行小电流放电) , 这样, 由于得不到锻炼性充放电, 蓄电池有效物质得不到充分活化, 时间一长, 蓄电池的实际容量就大为降低。

由此可见, 认为免维护的充电系统不需要人为进行周期性充放电是不对的。为了验证这一说法, 对上述蓄电池组进行了为期半年的每月一次大电流充放电, 用最后一次放电容量测试。

从测试数据可看出, 通过锻炼性充放电, 蓄电池的实际容量得到了有效的提高, 同样条件下放电时间延长了很多, 而且放电终了后单只电池电压也有了明显提高, 大大增强了蓄电池的可靠性, 能够满足事故时的需求, 确保变电站的安全运行。

4 结束语

综上所述, 免维护蓄电池维护应做到以下三点:

1) 做好补充充电工作:为了弥补运行中因浮充电流调整不当造成欠充, 应根据需要设定菜单 (一般为3个月) 充电装置将自动或手动进行一次恒流限压充电—恒压充电—浮充电过程, 使蓄电池组随时具有满容量, 确保运行安全可靠。

2) 做好核对性放电工作:长期使用限压限流的浮充电运行方式或只限压不限流的运行方式, 无法判断蓄电池的现有容量, 内部是否失水或干裂。只有通过核对性放电, 才能找出蓄电池存在的问题。

3) 用I10电流恒流放电, 当蓄电池组端电压下降到规定的放电值时, 停止放电, 隔1～2h后, 再用I10电流进行恒流限流充电—恒压充电—浮充电。反复2～3次, 蓄电池均达不到额定容量的80%以上, 应更换。

4) 核对性放电周期:新安装或大修后的阀控蓄电池组, 应进行全核对性放电试验, 以后每隔2—3年进行一次核对性试验, 运行了6年以后的阀控蓄电池, 应每年做一次核对性放电。

参考文献

[1]中华人民共和国电力行业标准DL/T724-2000.电力系统用蓄电池直流系统装置运行与维护技术规程[S].2001.1.

[2]中国华北电力集团公司安全监察部.供电企业安全性评价[S].第二版.中国电力出版社.

动力蓄电池组 篇6

一、废旧动力蓄电池回收利用存在的主要问题

1. 缺乏权威认证和相关规定

虽然国内外针对动力蓄电池回收利用已经基本具备产业化的条件, 但目前国际上对于废旧动力蓄电池回收利用技术的优缺点尚无全面的评估。在有关汽车动力蓄电池的拆解技术方面, 除了日本丰田对普锐斯混合动力汽车有产业化的拆解技术之外, 国际上还没有普遍适用于汽车动力蓄电池绿色拆解的相关行业规范和技术标准。

2. 回收利用过程存在环保等方面的问题

从技术层面分析, 废旧动力蓄电池的回收利用并不存在太大的技术难点, 问题的关键是在回收利用过程中如何实现保护环境和提高资源再生率, 尚需要完善的管理制度来保障。

目前, 国内废旧铅酸蓄电池的回收利用体系虽然已基本建立, 但存在回收渠道不规范、环境污染严重、资源再生率低等诸多问题。废旧铅酸蓄电池的回收工作目前处于一种无序状态, 个体商户、维修店、蓄电池零售商和再生铅企业都从源头抢购废旧蓄电池资源。正规专业的再生铅企业规模大, 工艺设备先进, 资源再生率高, 环境污染低;而大批环保不达标、技术工艺落后、资源浪费严重的非法小再生铅厂, 不但没有被淘汰出局, 反以其生产成本低、经营手段“灵活”, 与大企业展开不公平的竞争, 扰乱了市场。

我国应吸取废旧铅酸蓄电池回收利用管理的经验教训, 在汽车动力蓄电池大规模产业化之前, 尽快构建、完善回收利用管理体系。

二、应如何做好废旧电瓶再利用

1. 尽快健全相关法律法规

汽车动力蓄电池的回收利用虽然已经引起了我国行业主管部门的重视, 2010年公布了《节能与新能源汽车产业规划 (征求意见稿) 》, 但法律法规的缺乏是制约汽车动力蓄电池回收利用的关键。为此, 国家应该尽快出台汽车动力蓄电池的回收利用方面的法律法规及规范。

2. 加快培育节能与新能源汽车产业链

国家应加快培育节能与新能源汽车产业链, 推进充电设施、蓄电池回收利用、资源开发利用等方面的协同发展。同时, 要研究制定促进蓄电池再生企业提高技术水平和环保水平的优惠政策, 加大力度扶持规范的动力蓄电池回收及再生企业, 并把好再生利用企业的准入关。

3. 建立完善的汽车废电瓶回收体系

要促进回收业的健康发展, 必须建立完善的汽车废电瓶回收体系。国家应做好对动力蓄电池回收及再生企业准入条件设定, 明确动力蓄电池收集、存储、运输、再生处理等环节的管理要求, 杜绝不规范的回收处理行为。

4. 做好宣传工作, 加大执法力度

要明确整车制造商、消费者、回收企业和再生企业等不同主体在回收利用体系中应承担的责任和义务, 积极引导废旧电瓶规范回收、规范处理。在充分发挥市场自身调节作用的同时, 通过正确的宏观管理来引导电动汽车动力蓄电池回收利用行业的健康发展。

5. 做好汽车废旧动力蓄电池的梯次利用

在汽车动力蓄电池进入大量回收阶段后, 可以考虑将蓄电池分梯度来利用。第一次淘汰的废旧动力蓄电池, 可以作为储能蓄电池来利用, 或作为

电动场地车等低速电动车的动力源;从储能设备或低速电动车上二次淘汰下来的蓄电池, 再进行回收、拆解、再生。

一般情况下, 当蓄电池只能充满原有电容量80%的时候, 就不再适合继续在电动汽车上使用。如直接报废进行回收处理, 未能实现物尽其用。在蓄电池外观完好、没有破损、各功能元件有效的情况下, 可进行二次利用。如作为太阳能、风能等清洁能源的储能装置 (用于对太阳能路灯的电极板进行充电) , 也可以用在公园景区的短距离电动场地车、游览车、高尔夫球车上。通过梯次利用, 不仅可以让动力蓄电池性能得到充分的发挥, 有利于节能减排, 还可以缓解大量动力蓄电池进入回收阶段, 给回收工作带来的压力。

6. 积极采用国外先进的再生处理技术

“绿色环保再生铅技术”工艺是国际先进无污染再生铅技术。废旧蓄电池经切割后, 各物料分离彻底, 隔板、塑料等因没有经过破坏性处理而不含杂物, 能得到充分再利用;极板片经分离与分级, 板栅与膏泥分别处理, 含有硫酸铅、较难熔炼处理的膏泥进入富氧鼓风炉, 板栅合金则直接低温熔铸。

三、各类动力蓄电池回收利用技术简介

目前, 动力蓄电池的回收利用技术按大类基本分为火法冶炼和湿法冶炼两大类。火法冶炼是通过高温冶炼、分离、过滤, 获得各种金属盐的粗料, 同时回收利用其他相应材料;湿法冶炼是先将蓄电池分类, 然后用适当的溶剂进行溶解分离、萃取, 获得相应的金属及金属化合物材料。

1. 铅酸蓄电池回收利用技术

发达国家主要采用机械破碎分选和对含硫铅膏进行脱硫等预处理技术, 再分别采用火法、湿法、干湿联合法工艺回收铅及其他有价物质。

国内再生铅厂基本采用传统的火法冶炼工艺。大部分小再生铅厂还采用原始的反射炉混炼法, 大都未经过预处理, 废铅酸蓄电池手工拆解后, 铅板送入反射炉中冶炼再生铅, 板栅金属和铅膏混炼, 合金成分没有合理利用。

2. 镍氢蓄电池回收利用技术

目前废旧镍氢蓄电池的回收处理技术主要有火法冶金和湿法冶金两种, 正负极材料分开处理的技术适合大型的镍氢蓄电池。

火法冶金以生产镍铁合金为目标, 主要利用废旧蓄电池中各元素的沸点差异进行分离、熔炼。一般步骤为:先将废旧镍氢蓄电池破碎、解体、洗涤, 以除去电解液 (KOH) , 重力分选出有机废弃物后干燥, 再放入焙烧炉在600℃~800℃中焙烧。经过还原法熔炼可得到以镍铁为主的合金材料, 冶炼的镍铁合金材料可根据不同目标进一步冶炼。

湿法冶金处理技术具有可将各种金属元素单独回收且回收率高的优点, 但工艺比较复杂, 是将蓄电池经过机械粉碎、去碱液、磁力与重力分离方法处理后, 将含铁物质分离出来;然后用酸浸、溶解全部电极敷料, 过滤除去不溶物 (黏结剂和导电剂石墨等) , 再加入相应的药剂, 调节溶液酸值 (p H) , 使稀土元素、铁、锰、铝等金属元素以沉淀形式分离出来, 得到钴和镍元素含量较高的酸溶液。

3. 锂离子蓄电池回收利用技术

一般来说, 锂离子蓄电池回收利用技术主要分为三类:物理法、化学法和生物法。物理法包括火法、机械破碎浮选法、机械研磨法及有机溶剂溶解法等, 往往需要后续化学处理才能进一步得到所需的目标产物。化学法是先用氢氧化钠、硫酸、双氧水等化学试剂将蓄电池正极中的金属离子浸出, 然后通过沉淀、萃取、盐析等方法来分离、提纯钴、镍等金属元素, 目前使用较多的浸出体系是硫酸-双氧水的混合体系。此外, 电化学、水热法等也各具特点, 广受关注。生物法具有成本低、污染小、可重复利用的特点, 是未来回收废锂离子蓄电池中有用金属元素的主要发展方向之一。

动力蓄电池组 篇7

烧结余热电厂的规模和直流负荷较小,为了给控制、信号、保护、自动装置、事故照明、直流油泵和交流不停电电源装置等供电,需要装设一套容量能满足全厂停电时直流负荷需要的蓄电池组。通常蓄电池容量的计算方法有电压控制计算法和阶梯负荷计算法[1],本文采用电压控制计算法。

1 蓄电池电压

1.1 蓄电池个数及终止电压确定原则

(1)铅酸蓄电池直流系统每组蓄电池的个数按正常浮充运行时能保证直流母线电压为直流系统额定电压的105%计算,并按不同运行工况进行校核。

(2)蓄电池的终止电压按各事故放电阶段能满足母线最低允许电压确定。

(3)蓄电池组原则上不装设端电池和硅压降设施。

1.2 浮充电压、均衡充电及浮充电流

1.2.1 浮充电压

密封免维护铅酸蓄电池是贫液电池,为保证容量,其电解液比重d比普通铅酸蓄电池高(取1.30),相应开路电压达2.16～2.18V,浮充电压Uf为2.25～2.28V(建议取2.25V,25℃)。但浮充电压需随环境温度变化而进行修正,当温度升高1℃时,其值应下降3mV,反之则应升高3mV。

1.2.2 均衡充电

蓄电池在正常浮充时可不进行均衡充电,出现落后电池(2.20V及以下)及放电后则需进行均衡(补充)充电。均衡充电采用定电流、恒电压两阶段充电方式,充电电流为(0.1～0.25)C10A,建议取0.1C10 A;充电电压为2.35～2.40V,动力专用蓄电池组可取2.40V,混合供电和控制专用蓄电池组建议取2.35V。

1.2.3 浮充电流

密封免维护铅酸蓄电池的自放电率较小,在20℃的环境温度贮存时,自放电造成的容量损失每月约为4%。根据测试浮充电流小于2mA/(A·h)的要求,建议取2mA/(A·h)。

1.3 直流母线和用电设备电压偏差范围

1.3.1 直流母线电压波动范围

直流母线电压允许的波动范围取决于用电设备的允许电压偏差。根据用电设备的标准要求,其上限值控制在110%Un (Un为标称电压),下限值控制在85%Un(动力负荷,包括混合供电)或80%Un(控制负荷)。考虑电缆压降等因素后,电压上限值可取112.5%Un,下限值取87.5%Un(动力负荷)或85%Un(控制负荷)。

1.3.2 直流电机电压偏差

直流电机机端电压偏差在85%Un～110%Un范围内可保持电机持续稳定运行,但应在订货时注明直流电压偏差范围,以便制造厂选配适当的电机容量。

1.3.3 UPS装置电压偏差

目前,静态逆变的UPS装置品种较多,不少产品均满足85%Un～110%Un的偏差值要求。

2 蓄电池容量选择

中天钢铁新区烧结余热发电工程配置3台双压余热锅炉,配套建设1台25MW补汽凝汽式汽轮发电机组。直流电源容量按终期规模考虑,设置1套直流电源装置,分别用于汽机直流油泵、控制保护合闸等,电压为220V。直流负荷计算见表1。

2.1 容量计算

满足事故全停电状态下的持续放电容量为:

式中,CC为蓄电池10h放电率计算容量,A·h;KK为可靠系数,取1.40;KCC为容量系数,在指定的放电终止电压下,对于事故放电时间xh,其值可查[1],这里取0.54。故CC=171A·h,选择电池容量为200A·h。

2.2 220V直流系统电池数量

由n=1.05Un/Uf=102.17知,选104只。

注:Icho为事故放电初期(1 min)冲击放电电流值;CS,x为事故全停电状态下相对应的持续放电时间xh的放电容量;Ichm为事故放电末期随机(5s)冲击放电电流值。

2.3 放电终止电压

控制负荷和动力负荷合并供电,其放电终止电压为:

2.4 电压水平计算

(1)事故放电初期承受冲击放电电流时,蓄电池保持电压的计算。

式中,Kcho为事故放电初期(1min)冲击系数;C10为蓄电池10h放电率标称容量,200A·h。查《电力工程电气设计手册》,对应的保持电压Ud=1.92V,则蓄电池出口电压UD=104×1.92V=199.7V。对蓄电池突然承受放电电流的电压水平进行验算,直流母线电压199.7V≥0.9Ue(198V)。

(2)事故放电末期承受冲击放电电流时,蓄电池保持电压的计算。

式中,Km,x为任意事故放电阶段的10h放电率电流倍数;Kchm,x为xh事故放电末期冲击系数。查《电力工程电气设计手册》,对应Km,x=0.33及Kchm,x=0.01的Ud=1.87V,则蓄电池出口电压UD=104×1.87V=194.5V。对蓄电池再承受冲击负荷时的电压水平进行验算,直流母线电压194.5V>0.875Ue(192.5V)。

2.5 充电模块数量

目前,充电装置有高频开关式和晶闸管式;但由于晶闸管整流装置体积大、技术性能指标差,故推荐使用高频开关充电装置。高频开关充电装置具有集成模块化、技术性能好、体积小、功耗小、自动化水平高等优点,广泛地用于发电厂和变电站中。

高频开关充电装置由若干个模块并联组成,一般都为N+1备份冗余方式,充电电流由N+1模块输出,采用自动均流措施(不平衡度不大于5%)。1组蓄电池配置1组充电装置或2组同容量的充电装置,整流模块选择计算方法如下:

式中,N为高频开关整流模块个数;Ijc为直流系统的经常负荷电流,A;Ime为单个整流模块的额定电流,A。

现蓄电池容量为200A·h,直流经常负荷电流为4.1A,充电模块额定电流为10A,则N=(0.1×200+4.1)/10+1,取整为4,故整流模块数量N=4。根据上述计算结果,选择1套充电设备、1组200A·h蓄电池,配置10A高频充电模块4个,为直流动力负荷和控制负荷供电。

3 降压硅链存在的意义

直流电源系统在对蓄电池组进行均衡充电时,充电模块的输出电压会高于控制回路的额定电压,而放电时输出电压会低于合闸母线的额定电压。降压硅链单元就是直流屏中串接在合闸母线与控制母线之间,由其自动控制电路或手动控制旋纽改变电压值,从而保证控制母线和合闸母线的电压均在正常范围的调压装置,如图1所示。

实际上,由于早期的电磁操动式断路器操作电流大以及镉镍电池的高倍率放电,在负载回路上产生了大的压降,因此为了提高电池的端电压,而又不使二次保护供电电压提高,才引入了降压硅链,出现了合闸母线和控制母线分离的情况。目前,电磁操动式断路器早已被淘汰,弹簧储能式断路器和阀控式铅酸免维护电池的广泛使用都为取消降压硅链奠定了技术基础。经过接线改进及蓄电池的各种运行状况分析,在均衡充电和事故放电时,电压通常能满足技术规程的要求;而降压硅链的存在,会使系统接线变得复杂、可靠性降低、投资增加,因此,建议在直流系统设计时尽量取消降压硅链。

根据《电力工程直流系统设计技术规程》,控制负荷和动力负荷直流母线电压允许的变化范围分别为85%Un～110%Un和87.5%Un～112.5%Un。事故放电电压则由放电末期蓄电池的最低电压决定。均衡充电的电压值按负荷运行电压不应超过规定值,如果达不到要求,可采取以下措施进行调整。

(1)将均衡充电电压降低为2.28V(均充电流取I10～1.25I10)。经试验,在不同放电深度,恒电流和恒电压两阶段的充电时间相差很小,均衡充电2.25V比2.35V的时间少3～4h,而均衡充电一般3～6月一次,增加几个小时不会有什么问题。

(2)对于6V、12V的电池组,国内外许多电池厂可以制造4V、8V、10V的产品,通过在6V电池盒内少装1个单体电池,12V电池盒内少装1～2个单体电池,而电池外壳和引线不变,即可调整电压。

目前,发电厂和变电所的断路器采用液压或弹簧机构,合闸电流很小(2～5A),同时采用微机监控、继电保护和安全自动装置,其控制距离较短,因此,蓄电池放电时的电压满足要求时不设降压装置,如终止电压略低一些则可通过加大蓄电池容量来解决。根据以上分析和计算来选择电池个数,可保证阀控电池在各种运行工况下的电压满足规程要求,其结果见表2。

4 结束语

直流电源是余热电厂的重要组成部分,它为断路器分合闸及二次回路中的仪表、继电保护和事故照明等提供直流电源,并为二次系统的正常运行提供动力。余热电厂相较于常规电厂,规模小、负荷低,动力和控制混合供电,因此需根据这些特点并结合常规算法来选出合适的蓄电池组。蓄电池组容量偏大,会造成电池的浪费和因长期得不到应用而影响寿命;容量偏低,则不能在事故时满足要求从而产生危险。本文根据具体工程中的应用实例,提出了容量计算与选择的方法,并在实际设计中结合相关规范,做到具体工程具体分析,从而设计出适合实际需要的蓄电池组。

注:浮充电压为2.23～2.27V,均充电压为2.30～2.40V;组合电池电压为6V(3个2V单体电池组成)、12V(6个2V单体电池组成)。

参考文献

动力蓄电池组 篇8

关键词：锂离子,SOC,端电压,最佳优先,均衡

0 引言

锂离子蓄电池具有能量密度大、稳定性高等优点, 但是其独立单体的电压和容量都较小, 无法满足机载、车载等工况需求。因此, 成组方式使用是各种工况下供能的发展趋势。但是, 由于生产中无法消除的单体间差异, 单体之间容易出现电压和容量不平衡情况, 进而引发燃烧等安全问题, 严重制约其推广应用。

针对该制约锂电发展的核心技术问题, 国内外科技工作者均展开了相关技术研究, 如黄勤等人对锂电池组能量均衡的模糊-PI控制研究[1], Mestrallet Fabien等人基于多相交错转换器实现的锂电池主动均衡研究[2], 及其他研究人员针对均衡问题展开探索性的研究[3,4,5,6,7,8,9]。同时, 针对锂电池均衡的关键因素检测与估算 (如单体SOC、电压等) , 尚丽平、Wu Billy[10,11,12]等人进行了较为广泛的应用研究和方法探索。但是, 针对这两个关键因素的综合评价和均衡路径决策问题仍缺乏较为有效的解决方案。为解决这一问题, 本文基于最佳优先进行了锂离子蓄电池组均衡策略研究, 并基于锂电池组对单体充电以及单体对锂电池组进行反激式放电的思想实现了主动均衡调节。

1 单体间最佳优先均衡策略研究

锂电池根据正极材料的不同分为钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等类型。钴酸锂由于具有能量密度高等优点, 已在机载等领域进行推广试用。单体间电压和容量均衡等安全可靠性问题的解决将对其推广起到重要的积极作用。

1.1 单体不平衡成因分析

锂离子蓄电池通过放电过程向外部提供电能, 两个电极经过负载连接构成闭合回路, 在两个电极之间电势差的作用下, 电子从负极移向正极, 同时, 锂离子蓄电池内部, 锂离子从负电极经电解液、隔膜移至正电极, 直至正电极富锂态或负电极贫锂态达到饱和状态。钴酸锂充放电过程中化学反应方程式如式 (1) 所示。

锂离子蓄电池通过上述充放电过程中化学能和电能的相互转化实现储存电力和向外提供电力的应用目标。制备过程中, 由于材料和制作工艺无法消除的单体间的差异, 成组工作时在充放电过程中存在单体间的不平衡状况, 尤其是经过长期使用后, 这种不平衡状况会更加明显。

1.2 最佳优先选择

本文通过研究锂离子蓄电池单体荷电状态 (State of Charge, SOC) 及端电压 (Terminal Voltage, TV) 的综合评价方法, 基于最佳优先思想, 确定目标均衡单体及其均衡条件速率。

在选择不平衡单体与评价其不均衡度的过程中, 本文通过计算锂离子蓄电池组总体不平衡度 (Overall Comprehensive Imbalance Battery Degree, OCIBD) 和单体不平衡度 (Individual Imbalance Degree of Battery x, IIDBx) , 达到最佳优先选择目标, 实现所有锂电池单体中综合不平衡度最大的单体的确立以及不平衡度值的计算。锂离子蓄电池组单体均衡最佳优先选择及均衡调节基本流程如图1所示。

1.3 综合不平衡度计算

考虑影响平衡状态的SOC与TV两大要素, 构建锂离子蓄电池单体不平衡度推理计算网络如图2所示。

图2中, OCIBD代表电池组总体不平衡度;IIDBx表示第x个锂电池单体的不平衡度;SOCx表示第x个锂电池单体的荷电状态 (State of Charge) ;TVx表示x单体端电压 (Terminal Voltage) ;CF (M, N) 表示由M到N推理规则的可信度因子 (Credibility Factor) 。

(1) 总体不平衡度计算

通过计算总体不平衡度 (OCIBD) 实现决策处理, OCIBD是锂离子蓄电池SOC及TV的不平衡度的综合评价, 通过不确定性推理得到。各个单体对综合不平衡度的影响程度计算过程如式 (2) 所示。

其中, x表示单体的编号。所有单体的综合不平衡度计算过程分3种情况, 进而逐步不平衡度影响效果叠加, 不同情况计算过程如式 (3) ~式5所示:

(1) 当CFm (OCIBD) >0, CFn (OCIBD) >0时,

(2) 当CFm (OCIBD) ×CFn (OCIBD) <0时,

(3) 当CFm (OCIBD) <0, CFn (OCIBD) <0时,

通过各个单体不平衡影响程度复合计算, 获得锂电池组综合不平衡度CF (OCIBD) , 判定锂离子蓄电池工况状态及其工作是否正常, 并根据不平衡度判定锂电池处于充电、放电或搁置状态。待确定出锂电池工况状态后, 再根据不平衡程度量度值大小进行非正常工作时的保护限判定, 以防止过度不平衡现象以及由此而引发的自燃现象。

(2) 单体不平衡度计算

SOC和TV是单体综合不平衡度计算的两个主要参数。单体综合不平衡状态及其量度值是均衡单体选定以及能量转移方向确立的主要依据。本文通过单体综合不平衡度值的计算, 再基于最佳优先选择思想, 确定出不平衡工况状态下的单体间的均衡路径以及需要均衡的速度和方向。各个单体不平衡度CF (IIDBx) 计算过程如式 (6) ~式 (8) 所示。

(1) 当CFm1 (IIDBx) >0, CFm2 (IIDBx) >0时,

(2) 当CFm1 (IIDBx) ×CFm2 (IIDBx) <0时,

(3) 当CFm1 (IIDBx) <0, CFm2 (IIDBx) <0时,

式中, m表示单体编号, CFm1 (IIDBx) 和CFm2 (IIDBx) 分别表示第m个单体的荷电状态SOC和TV对单体不平衡度的影响程度, 计算过程如式 (9) 所示。

式中, CF (IIDBx, SOCx) 和CF (IIDBx, TVx) 分别表示SOC和TV对单体不平衡度的影响程度 (权重) , 初始值为1, 经过不同值实验调节效果验证后进行0~1之间的权重值确立。

(3) 均衡决策

根据综合不平衡度的工况状态与不平衡状态的判断与确立, 综合状态判定及安全保护限制后, 在正常状况下, 根据最佳优先思想决策出第x个单体需均衡调节。最后, 根据单体不平衡度绝对值|CF (IIDBx) |大小确定能量转移的快慢程度, 根据值的正负确定能量转移方向。

2 均衡系统设计与实现

锂电池单体电压和容量均较小, 多数情况下, 独立单体难以满足现场工况需求, 因此, 需级联成组进行工况应用, 某型号锂离子蓄电池级联基本结构如图3所示。图中标号分别代表:1单体蓄电池;2温度开关;3跨接板;4弯跨接板;5电源正极;6插座;7跨接板;8电源负极;9半电压连接片;10温度传感器;11跨接板。

根据最佳优先均衡策略实现锂离子蓄电池主动均衡调节, 设计锂离子蓄电池组主动均衡系统, 实现其供能过程中的单体间平衡调节, 设计的锂离子蓄电池主动均衡调节系统 (Battery Management System, BMS) 总体结构如图4所示。

3 实验分析

3.1 容量变化实验

在不同的温度条件下, 以不同的放电倍率对某型号锂离子蓄电池进行恒流放电实验。记录该锂电池从充满到达终止状态过程中放出的电荷量总值, 并进行归一化等实验结果分析。实验结果表明, 在温度值为0℃以上的环境条件下, 锂电池容量随温度变化缓慢。而在温度小于0℃时, 锂电池的容量随温度降低衰减明显。如1C放电倍率下温度对放电容量的影响, 实验结果如图5所示。

3.2 电压变化实验

通过对不同放电倍率 (9 A、12.5 A、22.5 A、45 A、90 A、180 A、225 A) 放电实验, 得到不同条件下放电过程中的电压变化规律并进行归一化拟合, 找到整体变化规律, 不同放电倍率下的归一化放电电压特性曲线如图6所示。

通过上述工作机理分析及基础实验研究, 本文基于SOC和TV两个重要参量进行综合不平衡程度评价方法探索, 进而实现对锂离子蓄电池主动均衡系统的设计与实现, 最终实现锂离子蓄电池供能中单体间不平衡状况的均衡调节。

3.3 均衡调节实验

在不同工况下锂电池主动均衡时, 研制的电池管理系统实时采集锂电池参数值, 经过抗干扰处理后经A/D采样至处理器, 通过最佳优先策略进行SOC和TV的主动均衡调节, 检测参数精度与范围指标如表1所示。

通过最佳优先均衡方法的提出和研究, 以及基于SOC和TV综合影响程度估计, 并把该值作为参考依据, 实现了单体最佳优先选择。通过实验室不同放电倍率及温度条件下的均衡调节实验验证, 实现了不同工况下的锂离子蓄电池组实时主动均衡。

4 结论

基于最佳优先方法, 把剩余容量 (SOC) 和端电压 (TV) 综合不平衡估计值作为均衡基准值, 提出了一种锂离子蓄电池组最佳优先均衡方法。基于该方法和均衡策略研制了车载锂离子蓄电池组BMS, 用于单体间均衡调节。该方法能够在不同工况下取得较好均衡调节效果, 有效保证锂离子蓄电池组安全供能, 为其可靠供能提供有益探索。

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