新能源汽車電池實(shí)驗(yàn)技術(shù)及均衡電路設(shè)計(jì)

摘要：世界各地面臨著能源緊缺、環(huán)境惡化的處境，越來越多的消費(fèi)者開始考慮擁有更加節(jié)能的汽車，這使得純電動(dòng)汽車的研究受到格外關(guān)注。采用先進(jìn)的電池管理技術(shù)，可以對(duì)電池（組）進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而有效地控制電池（組）的全過程，確保電池（組）的可靠性，達(dá)到更好的節(jié)能目的。因此，對(duì)磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的管理和SOC的估算方法進(jìn)行深入的研究。

關(guān)鍵詞：新能源；汽車電池；實(shí)驗(yàn)技術(shù)

中圖分類號(hào)：U467? 收稿日期：2023-03-30

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.027

1 磷酸鐵鋰電池SOC估算方法

1.1 磷酸鐵鋰電池

1.1.1 磷酸鐵鋰電池的原理

LiFePO4電池由多個(gè)部件組成，包括正極、負(fù)極、電解液、隔離層、正極引線、負(fù)極引線、中心端子、絕緣裝置、安全閥、密封圈、電池殼等，它們的結(jié)構(gòu)、材料、工藝以及使用方法都會(huì)對(duì)電池的性能產(chǎn)生重要的影響。

LiFePO₄電池采用了一種獨(dú)特的內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)存和釋放電能的功能，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其理想的電極由一層厚度介于10～25 ?m之間的鋁板組成，表面覆蓋著一層活性物質(zhì)，總厚度約為180 ?m。在電池的正極上，采用了一種特殊的功能性聚合物隔膜，其厚度介于10～25 ?m之間，由微孔PE或聚苯乙烯構(gòu)成，而負(fù)極則采用了一層厚度介于10～20 ?m的碳材料，以確保其穩(wěn)定性和可靠性［1］。通常來說，這種活性物質(zhì)層的厚度可達(dá)到200 ?m。

當(dāng)磷酸鐵鋰電池進(jìn)行充電時(shí)，電子將從電池的正極穿越，進(jìn)入電池的負(fù)極，從而使鋰離子從電池的正極析出。隨著電池的運(yùn)行，鋰離子將穿越電池的負(fù)極，并與電池內(nèi)部的電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，從而產(chǎn)生LiC₆。隨著LiFePO₄電池中鋰離子的數(shù)量增加，其可用于充放電的功率也會(huì)相應(yīng)增加，其中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)制見圖1。

1.1.2 VRLA電池的原理與特性

VRLA電池，也稱為閥控鉛酸蓄電池，源自1970年，它利用AGM吸液玻璃纖維板技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高效、安全、穩(wěn)定的電池供應(yīng)。閥控式鉛酸蓄電池具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠的操作特點(diǎn)，它的負(fù)極沒有因?yàn)槌潆姸a(chǎn)生氫氣，因此在長(zhǎng)時(shí)間的使用中，其失水率非常低，無須經(jīng)常添加酸或者添加水來保持其穩(wěn)定［2］。此外，VRLA的完整密封也保證了它的安全，因此深得人們的喜愛。VRLA電池組已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，包括汽車、通訊、IT和太陽(yáng)能。它們的特點(diǎn)是：充電速度快，內(nèi)部阻力低，不易受到環(huán)境因素的影響，而且容易獲得更好的性價(jià)比和更高的效率。此外，它們的溫度調(diào)節(jié)方式更為簡(jiǎn)單，因此在實(shí)際中非常流行。

1.2 電池荷電狀態(tài)（SOC）預(yù)測(cè)

為了準(zhǔn)確估算動(dòng)力電池SOC，必須明確它的定義。根據(jù)目前的研究，通常認(rèn)為，在特定的溫度條件下，當(dāng)電池?zé)o法再吸收能量時(shí)，它的SOC應(yīng)該被設(shè)置為100%。當(dāng)流量超過SOC所能承受的最大值時(shí)，SOC將被調(diào)整至0。然而，SOC的精確度取決于多種因素，包括傳輸速率、電池SOH、溫度以及電池電壓等，而這些因素都可能對(duì)SOC的精確性產(chǎn)生重大影響，因此，在線計(jì)算SOC可能會(huì)比較困難。LiFePO4電池在充滿電的情況下，SOC的值通常被假設(shè)為0。如果將其轉(zhuǎn)換為較低的電流，它仍然會(huì)釋放一些電流。此外，如果將電池的電量從70%提高到80%，那么它的SOC估計(jì)值將在20%～30%之間。當(dāng)電池的電壓升至較高的倍率時(shí)，它的電流量將會(huì)急劇減少，而SOC的恢復(fù)也將受到多種不可逆因素的影響，例如板材的硫化程度、腐蝕程度、活性成分的含量等，這些因素都會(huì)對(duì)SOC的恢復(fù)產(chǎn)生重要的影響。由于多種原因，電池的能力損失通常是不可逆轉(zhuǎn)的。

根據(jù)上述情況，SOC的確定通常采用一種比較的方式，即將電池的剩余容量與其所能提供的總?cè)萘恐茸鳛楹饬繕?biāo)準(zhǔn)：

式中的Qt表示恒流放電所產(chǎn)生的電流，而Qc則表示電池組的剩余電流，雖然它的概念并非十分適用，尤其當(dāng)放電電流發(fā)生改變時(shí)，其對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電池的實(shí)際使用壽命也將隨之改變。隨著SOC的不斷發(fā)展，它的預(yù)測(cè)難度也在不斷提高，從而影響到它的技術(shù)性能。因此，本文提供一種新的方法來解決SOC的模型，該模型可以根據(jù)不同的電壓情況來確定SOC的狀態(tài)。

SOC的標(biāo)稱值可以通過測(cè)量其容量來獲得，但它的動(dòng)態(tài)性則取決于其受到的外界環(huán)境影響，包括電流、溫度以及其他可能的影響，這些影響可以通過調(diào)整補(bǔ)償參數(shù)來實(shí)現(xiàn)，具體可參考下式：

2 電池組均衡電路研究分析與設(shè)計(jì)

2.1 均衡電路原理

采用圖2所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)電磁能量的有效轉(zhuǎn)換，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池組的平衡循環(huán)。

圖2展示的電池組的平衡系統(tǒng)，其基本原理是：利用光耦柵極及其相應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)電路，來監(jiān)測(cè)每一塊電池的電壓。隨后，DSP芯片將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為平衡的模式，并根據(jù)平衡的模式計(jì)算出MOSFET的PWM值，從而實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的調(diào)速。采用PWM技術(shù)，電池之間的電量得到了有效的傳遞。另外，還可利用DSP的PC和CAN總線，將它們連接到BMS和其他電力系統(tǒng)。

2.2 均衡電路參數(shù)設(shè)計(jì)

本文將探究如何實(shí)現(xiàn)電池的平衡循環(huán)，也將探究如何通過使用MOSFET來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，將考慮使用合適的MOSFET，并確定合理的MOSFET的使用順序。通過使用單片機(jī)來收集信息，并且結(jié)合動(dòng)力電池的性能特點(diǎn)，以及對(duì)于變壓器的繞線技術(shù)、磁芯材質(zhì)的選擇，可以更好地滿足系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

本文旨在探討四節(jié)串聯(lián)鋰電池組的均衡電路，并給出相關(guān)參數(shù)，如表1所示。

2.2.1 均衡開關(guān)

通過開關(guān)的連續(xù)切換，可以有效地傳輸能量，而且這種功率平衡可以確保主電路和副電路的最大電流。因此，在進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮開關(guān)的傳輸速度、耐電壓、電流以及其他相關(guān)參數(shù)，以確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。改變電路可能會(huì)對(duì)電子系統(tǒng)產(chǎn)生重大影響。

本文采用ST系列STripFETⅡ的N溝道MOSFET。其器件型號(hào)為STB75NF7525，具有低直流電壓、低功耗、高直流電流，可靠的工作溫度在-55～175 ℃之間，具有高電阻特性，顯示了用于測(cè)試特定功能的測(cè)試電路。該電路的柵極信號(hào)由模擬特殊驅(qū)動(dòng)信號(hào)的發(fā)生器產(chǎn)生。

STB75NF75的開路電壓設(shè)置為3 V，驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大電壓設(shè)置為10 V。同時(shí)，開關(guān)信號(hào)的工作頻率設(shè)置為25 kHz，以抑制人耳感知到的噪聲。另外，由于N溝道MOS管額定電流更大，電阻更高，所以我們選擇STB75NF75作為主閥的替換管，以保證其可靠性和良好的工作。

2.2.2 采集及控制

AD轉(zhuǎn)換器被用來收集各種參數(shù)，它能夠把復(fù)雜的模擬信號(hào)變換成簡(jiǎn)潔的數(shù)字，從而使得單片機(jī)成為均衡電路的關(guān)鍵部分。在這一系統(tǒng)的運(yùn)作過程中，每一塊微型計(jì)算機(jī)都會(huì)持續(xù)地進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入、校準(zhǔn)、調(diào)整，從而達(dá)到精確的平衡狀態(tài)。

a.為了確保測(cè)量的準(zhǔn)確性，輸入必須穩(wěn)定，并具備電壓保護(hù)功能。

b.控制輸出要穩(wěn)定，開關(guān)能及時(shí)通斷，抗干擾能力強(qiáng)，防止誤操作。電池在工作時(shí)輸出功率和電流都很大，所以外圍電路元器件除了自身發(fā)熱外，也會(huì)散發(fā)一定的熱量。檢測(cè)電池的實(shí)時(shí)工作溫度，需要檢測(cè)每節(jié)電池的溫度。由于需要采集的數(shù)據(jù)量較大，因此選擇了與IIC總線通信的集成溫度單元網(wǎng)絡(luò)。溫度指示傳感器安裝在電池中需要檢測(cè)的位置，所有傳感器安裝在單片機(jī)的IIC總線上。

本文中的STM32F103VB控制器除了使用基于總線的溫度傳感器進(jìn)行識(shí)別外，還內(nèi)置了溫度傳感器。控制器的溫度可以很容易地檢測(cè)到，因此當(dāng)環(huán)境溫度和控制面板溫度異常時(shí)，會(huì)提前關(guān)閉平衡電路的控制，從而可提高電路的可靠性。采取安時(shí)法評(píng)估剩余容量時(shí)，SOC的時(shí)序變化會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精度的下降，因此，在這一評(píng)估過程中，需要精確地測(cè)量電流，從而減少可能存在的偏差。然而，采取其他評(píng)價(jià)技術(shù)，如采集實(shí)時(shí)信息，可能會(huì)比安時(shí)法的精度還要低。通過采用LEM的LTS6-NP傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車電池管理系統(tǒng)的準(zhǔn)確測(cè)量，而不需要依賴傳統(tǒng)的精確測(cè)量技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。此外，霍爾測(cè)量法也是一種有效的測(cè)量技術(shù)，它能夠有效地提升測(cè)量的準(zhǔn)確性。采用單電壓技術(shù)，能夠輕松地對(duì)單個(gè)鋰離子電池的電量進(jìn)行監(jiān)控，從而大大減少安裝及后期保養(yǎng)的工作量。

2.2.3 變壓器設(shè)計(jì)

在平衡電路中，變壓器被廣泛應(yīng)用，它們不僅可以存儲(chǔ)和傳輸能量，還可以隔離和限制感應(yīng)電流，并且具有良好的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)變壓器時(shí)，必須充分考慮磁芯尺寸、電感、氣隙效應(yīng)、主變壓器的數(shù)量以及鐵芯內(nèi)部的交流和直流分量之間的相互影響。如果將變壓器的輸出功率調(diào)整至5 V×2 A=10 W，則變壓器的次級(jí)效率將提高至85%，而輸入功率則可以降低至11.76 W。

a.根據(jù)變壓器的功率要求，應(yīng)當(dāng)精確地選擇合適的磁芯尺寸，以確保其能夠滿足電源管理的需求。磁容量的大小取決于材料、規(guī)格等因素，因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行精確的選擇。

b.在計(jì)算主回路中MOSFET開關(guān)的完成時(shí)間時(shí)，當(dāng)它關(guān)閉時(shí)，電流線性增加，而當(dāng)它打開時(shí)，它必須保持打開足夠長(zhǎng)的時(shí)間以釋放核心中的能量。因此，在25 kHz的頻率下，開關(guān)的周期時(shí)間應(yīng)為40 [μ]s。為了保證電路的穩(wěn)定性，在一個(gè)電路中，必須將變壓器原、副邊的電流值恢復(fù)到原來的水平，以免因?yàn)槟芰刻蠖霈F(xiàn)問題。

3 結(jié)語(yǔ)

本文經(jīng)過深入研究，確定了平衡點(diǎn)，并對(duì)電池電量做出了合理的評(píng)估。此外，我們還對(duì)單體電池SOC的過程進(jìn)行了分析，提出了一種基于車輛行駛復(fù)雜度和電池平衡的SOC估算算法，以滿足不同的需求。這種方法具有廣泛的適用性，收斂性強(qiáng)，算法復(fù)雜度低。然而，由于它的研究基礎(chǔ)是對(duì)電池的短期工作狀態(tài)進(jìn)行線性分析，而實(shí)際情況是高度非線性的，因此在實(shí)際應(yīng)用中需要注意適用條件。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

王朝江，男，1986年生，助理實(shí)驗(yàn)師、高級(jí)技師，研究方向?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。