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动力锂电池管理系统的研究现状与发展趋势

导读: 锂离子电池是发展电动汽车的最具潜力的能源载体之一,从锂离子电池应用于电动汽车的研究现状出发,阐述了锂离子电池管理系统对于锂离子电池组的重要性以及研究的必要性。介绍了动力锂离子电池管理系统的发展现状,并对动力锂离子电池管理系统未来的发展方向做出了展望。

  受到能源危机和环境保护等因素影响,纯电动汽车做为一种新兴的交通工具,由于其能源利用率高、无排放、噪声小以及能量来源多样化等优点成为汽车工业一个重要的研究领域。传统的电动汽车存在续航里程有限、蓄电池使用寿命太短以及蓄电池尺寸和质量的制约等缺点,而锂离子电池具有高能量密度、高工作电压、无记忆效应、循环寿命长、无污染、质量轻、自放电小等特点,可以很好地解决以上问题,所以基于锂离子电池的电动汽车受到越来越多人们的关注,锂离子电池已经成为纯电动汽车的候选能源之一。目前,包括本田、丰田、通用等世界主要的汽车制造商都有在2010年推出锂离子电动汽车的计划,国内的比亚迪、吉利、奇瑞也都有类似的计划。

  纯电动汽车的电压要求一般在100V以上,为了达到这个工作电压,必须把几十个乃至上百个单体电池串并在一起,比如文献[5]所报道的万向电动汽车,使用了84只锂离子电池单体串联。电动自行车一般要求电压在48V左右,所以用于电动自行车的锂离子电池组一般由12~13个单体电池组成。

  由于锂离子电池的生产工艺限制,锂离子电池单体之间存在容量、电压、内阻等等的不一致,即使在同一批电池中也会存在差异。另外,即使是电池组在出厂的时候一致性比较好,在以后的使用过程中,这种不一致会随着电池组的循环次数的增加而增加。

  锂离子电池组中,单体不一致会造成电池组无法发挥最大容量,而且会极大地缩短电池组的使用寿命。另外,由于锂离子电池的特殊性,在使用中如果发生过充、过放及过流等,会对电池造成不可逆的损坏,甚至造成安全事故。所以,在锂离子电池组用于电动汽车之前,首先要解决的问题之一就是对电池组的管理。

  1、动力锂离子电池管理系统研究现状

  早期的锂离子电池管理系统一般只具有监测电池电压、温度、电流以及保护等简单功能,随着锂电池越来越多地应用于大功率设备,如电动汽车,对电池管理系统的要求越来越高,锂离子电池管理系统的功能也越来越强。一般认为,锂离子电池组管理系统应具有以下几个功能:电池组外部参数的检测、电池状况判断和剩余电量的估计、电池组的充放电控制、电池电量均衡、提供与外部设备通信的功能。目前电池外部参数的检测技术己趋于成熟,现在锂离子电池管理系统研究的重点是电池剩余电量估计和电池组的均衡。

  1.1电池外部参数的检测

  电池外部参数的检测主要包括电池组中单体电池电压、工作电流和电池温度的检测。通过这些参数可以判断电池的工作状态。

  1.1.1电压的检测

  在所有的电池参数中,锂离子电池的电压最能体现电池的状况。锂离子电池过充过放的依据即是锂离子电池的端电压,也可以通过测量端电压初步估计锂离子电池的SOC。所以对锂离子电池的电压进行实时检测是非常重要的。锂离子电池组的检测方法主要有四种。传统的测试方法是用继电器和电容做隔离处理。

  其测试原理是:首先通过电容对电池电压进行取样,再通过检测电容的电压就可以得到电池的电压。第二种方法是浮动地技术测量电池端电压,测量时窗口比较器自动判断当前地电位是否合适,如果正好,启动A/D进行测量,如果太高或太低,则通过控制器经D/A对地,对电位进行浮动控制。第三种方法是共模检测法,共模测量是相对同一参考点,利用精密电阻等比例衰减测量各点电压,然后依次相减得到各节电池电压。第四种方法是差模检测法,采用运算放大器消除电池两端的共模电压,完成对电池电压的采样。

 动力锂离子电池管理系统的研究进展

  第一种测量方法原理简单,但是检测精度低,且检测时间长。浮动地技术测量由于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,因此会影响整个系统的测量精度。共模测量法电路简单,测量精度低,只适合于串联电池数较少或者对测量精度要求不高的场合。差模测量法精度比其他三种方法都好,如图1所示的差模检测电路,适用于12节以下的串联电池组。在电池组单体电池数量比较多的情况下,一般是以12节为一个电压检测模块,再通过总线把所有模块连接在一起。差模检测电路中,由于电压测量电路漏电流的影响,会造成电池组靠近负极的电池的电量消耗过多,导致电池组的不一致。

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