电动汽车用锂离子电池组充电方法--很详尽
2008年(第30卷)第9期
汽 车 工 程AutomotiveEngineering
2008(Vol.30)No.9
2008177
电动汽车用锂离子电池组充电方法
文 锋,姜久春,张维戈,郭慧萍
(北京交通大学电气工程学院,北京 )
[摘要] 计算电池组的最大允许充电电流,,实现优化充电。。
关键词:;优化充电
MethodforLi2ionBatteryPackinElectricVehicles
WenFeng,JiangJiuchun,Zhangweige&GuoHuiping
SchoolofElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing 100044
[Abstract] Anewchargingmodecombiningandcoordinatingbatterymanagementsystemandbatterycharg2erisproposed.Specifically,batterymanagementsystemcalculatesthemaximumallowablechargingcurrentaccord2ingtothecurrentstateofbatteriesandthensendsittochargerrealtimetocontrolthechargingstrategyandoutputcurrentofcharger,thustheoptimizedchargingisrealized.Factorsinfluencingchargingcurrentandthecalculationmethodofallowedmaximumchargingcurrentarealsoanalyzed.
Keywords:electricvehicle;batterypack;batterymanagementsystem;optimizedcharging
前言
电动汽车事业取得了长足的进步,但是电池系
[1]
统的相对脆弱是电动车发展的瓶颈。锂电池具有能量密度和体积密度高、工作电压高、无记忆效应、自放电低又无环境污染问题的优点,是电动汽车的理想动力源,
但锂电池的抗过充电能力较铅酸电池差。传统基于电池组端电压的充电方法使得电池组中部分电池在充电过程中存在严重的过充电现象,使得电池的容量下降迅速,电池的寿命严重缩短,车辆的运行成本增加,阻碍了电动汽车的发展。文中提出电池管理系统和充电机协调配合的充电模式能有效地解决电池的过充电问题,提高电池充电的安全性,对于电池循环次数的增加有重要的意义。
长期以来,铅酸蓄电池作为主要的动力源或后备电源得到了广泛的应用。铅酸电池的抗过充能力较强,可通过充电后期的涓流充电对电池进行均衡。20世纪90年代,镍氢电池和锂电池出现以后,多用
于手机、笔记本电脑以及数码相机等小功率场合。
电动汽车对电池的要求更高,原因是:(1)需要容量大;(2)大量串并联使用;(3)电池的工作电流大且变化迅速;(4)工作环境恶劣,包括道路颠簸和散热条件有限等。由于在生产和使用电池过程中,单体电池之间会因为初始容量、发热以及自放电等不完全相同而导致实际容量的差异,且容量越低的电池在使用过程中越容易出现过充电和过放电,容量衰减越严重,表现出正反馈,使得电池的一致性越来越差;为了达到均衡的效果,均衡器的容量、体积和质量都大,这与车辆空间以及高的运行效率之间形成矛盾。
由于锂电池的过充电能力较弱,不能像铅酸电池一样通过充电后期的涓流充电实现均衡,所以即
1 问题的提出
原稿收到日期为2007年11月1日,修改稿收到日期为2008年1月7日。
2008(Vol.30)No.9文锋,等:电动汽车用锂离子电池组充电方法・ 793・
便在电池出厂时进行了严格的筛选,使用一段时间后,单体电池之间的容量依然会出现差异,这样在充电过程中,势必出现部分电池先充满电的现象发生。基于电池组端电压的充电方法由于并不能及时有效地得知电池组中是否有个别电池已经充满电,使得先充满电的电池出现过充电。即便是铅酸电池,采用基于端电压的充电模式也会因为发生了严重的过充电而导致电池大量发热和电池的容量衰减迅速,寿命严重缩短。
对于锂离子电池而言,解液分解,升。、,炸,损毁电池[3-6]
题得到广泛关注。
[2]
出电流,达到防止电池组中所有电池发生过充电以
及优化充电的目的,同时充电机具有了更好的适应性,充电机不需要区分电池的类型,只需要得到BMS提供的电流指令就能实现快速、安全的充电,提高了充电的安全性和智能化水平,还简化了充电工作人,其最大允许充电电流与电池容量Q、温度T、电池的荷电状态SOC、电池的老化程度SOH以及电池的一致性EQ均有重要关系,且表现出较强的非线性,所以电池的最大允许充电电流I为
I=f(Q,T,SOC,SOH,EQ)311 容量
(1)
2 协调配合的充电模式
电池管理系统(BMS)是对电池的性能和状态了
解最为全面的设备,所以将BMS和充电机之间建立联系,就能使充电机实时地了解电池的信息,从而有效地解决部分电池的过充电问题。
文中提出BMS和充电机协调配合充电模式的原理为:BMS通过对电池的当前状态(如温度、单体电池电压、电池工作电流、一致性以及温升等)进行监控,并利用这些参数对当前电池的最大允许充电电流进行估算;充电过程中,通过通信线将BMS和充电机联系起来,实现数据的共享;BMS将总电压、最高单体电池电压、最高温度、温升、最大允许充电电压、最高允许单体电池电压以及最大允许充电电流等参数实时地传送到充电机,充电机就能根据电池管理系统提供的信息改变自己的充电策略和输出电流。
当BMS提供的最大允许充电电流比充电机设计的电流容量高时,充电机按照设计的最大输出电流充电;当电池的电压、温度超限时,BMS能实时检测到并及时通知充电机改变电流输出;当当前的充电电流大于最大允许充电电流时,充电机开始跟随最大允许充电电流,这样就有效地防止了电池过充电,达到延长电池寿命的目的。充电过程中一旦出现故障,BMS可以将最大允许充电电流设为0,迫使充电机停机,避免发生事故,保障充电的安全。
在该充电模式下,既完善了BMS的管理和控制功能,又能使充电机根据电池的状态,实时地改变输
仅从充电电流大小来衡量电池性能是不恰当的,容量大的电池的充电电流会增加,所以引入倍率或时率来衡量电池的充电电流,有
I=kcQr
(2)
式中kc为倍率系数,与电池的类型和性能有关,锂电池大约为013～1;Qr为电池的额定容量。312 温度
温度与电池的最大允许充电电流可分为3[3,5,7]段:(1)温度在20℃～45℃(不同厂家的电池略有差异,下同),这是电池的最佳工作温度范围,电池的倍率特性好而且容量衰减较小;(2)温度低于20℃时,电池的内阻上升,电池的可接受充电电流降
低;(3)温度高于45℃以后,虽然电池可接受的充电电流可能更大,但是电池的容量衰减大大加速许充电电流的补偿系数kt为
kt1ektkt2T
[6]
,因
此也不适合电池充电。所以,电池的温度对最大允
,
-20℃≤T
(3)
1, 20℃≤T50℃
式中kt1、kt2为温度系数,不同厂家的略有不同。按照0℃时电池的电流下降到20℃时的1/3考虑,
可得到kt1=0133,kt2=010549。313 荷电状态
电池的荷电状态与充电电流的关系可分为3个阶段进行描述:(1)SOC低端(如SOC
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SOC中间段(如10%
充电电流增加,电池可以以较大的电流充电;(3)电池的SOC高端(如SOC>90%),为了防止锂的沉积,电池可接受的充电电流下降。电池的SOC对最大允许充电电流的补偿系数kSOC为
(1-kSOC1)×SOC
kSOC1,0
10
kSOC1, 10%
911-0109SOC, 90%
和起停控制等。充电过程被PC机记录,并进行数据库管理,监控PC机与打印机连接,实现统计报表的打印。
式中kSOC1为SOC=0过程充电效率
电池的SOH主要考虑电池的容量衰退和电池内阻的增加。对于容量的下降,采用容量修正系数
-1
kSOH1=QQr进行修正;对于电池内阻的增加(仅考虑欧姆内阻),通过热的方式进行补偿,电池的发热
2
P=IR,所以内阻对电池的充电电流的补偿系数为
-015
kSOH2=kR。电池的最大允许充电电流对SOH的补偿系数kSOH为
kSOH=kSOH1kSOH2=kQQrR
-1
-015
图1 充电站系统结构
电池管理系统和充电机协调配合的充电模式下的实际充电曲线参见图2。厂家提供的最大充电电
流为150A,所以kc=150/360≈014;由于电池的充电过程温度为34～39℃,所以kt=1;充电电流电池
Ω,电池的容量下降小,所以kSOH=的内阻约为
50m
1;最高单体电池电压和最低电池电压之间的电压差约为100mV;电池的起始SOC=48%,kSOC=1;当SOC=90%以上,kSOC开始下降,依据式(4),最大允许充电电流依据kSOC线性下降,从SOC=90%的150A下降到SOC=100%的15A。
(5)
315 一致性
电池使用一段时间以后,电池的一致性会变差。电池组的最大允许充电电流Imax为
(6)Imax=min(I1max,…,Ijmax,…,Inmax)式中Ijmax表示第j节电池的最大允许充电电流。
综上所述,电池的最大允许充电电流Imax为
(7)Imax=min(kcjQrktjkSOCjkSOHj)式中下标j表示为第j节电池的参数。
图2 实际充电曲线
4 应用实例
所提出的充电方法在北京121路电动公交充电
站得到试行。车辆的电池配备情况:电池容量360A・h;电池类型为锰酸锂电池;串联电池数为104节;充电端电压限
制为437V(≈412×104=43618V);最大单体电压限制:4123V,充电机最大输出电流为100A。充电站的系统结构见图1。车载电池管理系统和充电机之间通过CAN总线实现数据的交换。充电机和监控PC相连,实现充电机的监控
从图2可以看出:在充电初期,电池最大允许充电电流较高,所以充电机按照最大设计电流(100A)输出。为了防止部分电池过充电,
当最高电池单体的电压上升到限制电压(4123V,电池厂家提供数据)时,虽然电池的端电压为431V(图中平均电压仅为4115V),未达到限制电压437V,但是充电电流开始下降,并在以后的过程中可以看到,最高单体电池的电压一直未超过4123V,有效地防止了电池出现过充电。另外,在充电的后期,当电池的最大允许充电电流下降到充电电流以下后,充电机的输出有效地跟踪了最大允许充电电流,当电池的SOC=100%后,可以看到,充电电流降到15A,进行充电效率的
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补偿充电。可以看到,单体电池的电压有一定的降落,当单体电池的最高电压再次上升到限制电压(4123V)或电池组端电压到限制电压(437V)后充电结束。
参考文献
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5 结论
分析了电池发生过充电的原因并提出了电池管理系统和充电机协调配合的充电模式,了充电机充电的盲目性,间的数据通信,调节输出电流,,现过温、,知充电机停机,,保障了充电的安全性。该充电方法在北京121路电动公交车站运用,充电过程未出现电池冒烟或着火的事故,证明该方法可有效杜绝电池的过充电,能保障电池充电的安全性。
学工业出版社,2006.
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(上接第791页)
要功能,尤其是对锂离子动力电池组来说,其安全管
理更加重要。
对电池组的安全管理是在对电池组的故障诊断基础上实现的。电池管理系统根据电池的单体电压、总电压、电流和温度等信息对电池运行状态进行评估和预测,判断电池故障状态,并生成故障码,通过CAN总线发送到整车控制器和显示仪表上。为便于判断,把电池可能出现的故障分为两级,Ⅰ级和Ⅱ级故障:Ⅰ级故障为严重故障,电池管理系统监测到严重故障时,将通过CAN总线向整车控制器发送切断强电请求,如果故障持续了一定时间整车控制器没有做出相应的动作,电池管理系统则自行切断成组继电器以保证电池组的安全;Ⅱ级故障为报警故障,当电池管理系统通过CAN总线发送Ⅱ级故障时,整车控制器应调整控制参数,减小电池输出电流与功率,避免电池受到进一步的伤害。
CAN总线的分布式结构,减少了系统的连线,便于
安装调试。设计的电池管理系统采用可靠性高、抗干扰强的采样电路对动力电池组的单体电池电压、总电压、电流和温度等电池信息进行采集,根据这些电池信息采用了基于Kalman最优滤波理论的SOC估计方法对电池SOC进行估计,采用故障分级措施对电池进行故障诊断,实现动力电池的安全管理。该电池管理系统已在天津清源公司研制的纯电动汽车上成功应用。
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4 结束语
电池管理系统是动力电池和整车之间的联系桥
梁,配置电池管理系统能够提高动力电池的性能和可靠性。文中针对所应用的锂离子动力电池组的特点,设计了符合整车要求的电池管理系统,采用双
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