电动汽车分布式电池充放电管理的研究-论文.doc

电动汽车分布式电池充放电管理的研究电动汽车分布式电池充放电管理的研究摘 要: 根据电池组在电动汽车上的使用要求, 设计出基于RS485总线的分布式电池管理装置, 其由若干测试模块和一台监测和显示模块组成。每节电池配备一台测试模块, 测试单元内置自带模数转换的单片机, 解决了电池单体电压和温度的实时精确采集问题, 采用分段插值法预测单体电池的剩余电量, 为分析电池状况提供依据。在电池充电时实施PWM分流法, 监测和显示模块分析各节电池状况, 通过测试模块内部的PWM分流电路, 实现单节电池的均衡充电, 克服电池间的不一致性。 关键词: 电池管理；RS485总线；均衡充电；PWM分流Research on distributed battery charge-discharge management in electric vehicleAbstract: According to the application requirement of battery bank used in electric vehicle, a distributed battery management device based on RS485 bus is designed. The device is composed of measuring modules for each battery, a monitor, and display module. The measuring module contains a single chip microcomputer with AD, realizes precision measurement to voltage and temperature of each battery. The method of subsection insert value is adopted to forecast the spare capability of each battery, thus the status of batteries can be estimated. When battery bank is charged, PWM distributing method is carried out. The monitor and the display module analyze the status of each battery, PWM distributing circuit in measuring module realizes the equalization charge for single battery. So the disequilibrium among batteries can be overcome. Keywords: battery management; RS485 bus; equalization charge; PWM distributing1 引 言电池是电动汽车的动力源, 在电动汽车中占有重要的地位。如何有效管理和监控电池一直是电动汽车的关键技术之一, 电动汽车的电池管理系统是电动汽车必不可少的重要组成部分。为了适应电动汽车技术的发展, 不断有性能更高、价格更便宜的电池研制出来。与电机和电池技术、电机控制技术相比, 电动汽车电池管理还不是很成熟, 电动汽车电池管理系统应该是一个基于微处理器的实时监测系统, 对电池实现实时自动检测和诊断, 每节电池的情况应及时显示在驾驶员仪表板上, 并能对汽车行驶过程中的电池剩余电量进行估算, 将信息及时反馈给驾驶员。通过监测和控制单个电池的性能, 最大化电池的充放电效果, 保证电池可靠运行, 都是电池管理系统应解决的问题。从电动汽车的使用过程中发现, 单个电池的寿命远比电动汽车中的电池寿命长, 研究表明这是因为电池存在不一致性, 充放电过程也不一致, 而不断重复的充放电过程更加剧了不一致现象, 充电少的电池寿命缩短, 引起整个电池组的寿命缩短。本文研制的电池管理装置, 除实现电池管理系统的正常功能外, 采用PWM分流法对电池的外部参数进行优化, 实现均衡充放电, 可克服电池间的不一致性, 延长电池组的使用寿命。2 分布式电池管理系统测量电池品质最直观的办法就是测量电池的端电压, 其能直接反映电池的过充电和欠充电。为检测单节电池电压, 要在电池两极引出采样线。例如: 24节电池一一串联组成电池组, 则要引出25根采样线, 检测装置通过端子接入采样线。电池串联组成电池组, 其后一节电池的负极与前一节电池的正极相连, 由此造成的端电压测量不共地问题难以解决, 为此最早的电池电压检测装置采用分压测量方法来解决这一问题。图1所示为分压测量方法, 将每节电池正极对地的电压进行分压后, 通过多路模拟开关进行分时测量, 结合分压系数和前几节电池的测量电压计算出当前电池的电压。图1 分压测量方法Fig. 1 Measuring method of voltage division显然该方式存在误差累积, 在电池节数较多时精度难以保证, 故其分压电阻要采用高精度电阻。传统电池组电压采集方式均为巡检方式, 即各节电池电压模拟量要通过多路开关进行分时采样。该方式缺点明显, 一是电池采样线数量随着电池节数增加而增加, 目前电动汽车多采用2 V电池, 采样线数量偏多, 安装和维护时不易分辨其顺序, 有一定危险性。二是随串联电池节数增加, 巡检周期加大, 数据刷新率降低, 尤其在大电流放电情况下, 由于电池电压采集不同步, 测量的准确性降低。另外, 电动汽车的空间紧凑, 电池呈分布式布置, 信号从电池到微控制器间有一定距离, 易受到车内功率器件和大电流动力线工作时产生的电磁干扰, 导致测量精度下降, 引起电池剩余电量计算的不准确或错误。且可扩展性和可移植性差, 不同的电池组结构、不同的电池数量都会使系统结构改变1。分布式电池管理装置由若干测试模块及一台监测和显示模块组成, 其工作原理结构框图如图2所示。工作时每节电池配置一块测试模块, 测试模块内含单片机, 通过内置AD实时检测电池端电压和电池壳体温度。由于每个测试模块的测量地均不同, 为解决测试模块测量地与上位机通讯地的不共地问题, 通讯信号通过光耦隔离后连接至RS485总线。各测试模块通讯站号唯一, 响应监测和显示模块的召唤命令, 上传各节电池的端电压和温度数据2。测试模块工作原理如图3所示。图2 分布式电池管理装置结构框图Fig. 2 Block diagram of distributed battery management device图3 测试模块工作原理Fig. 3 Principle of measuring module监测和显示模块工作原理如图4所示。电压采集电路和电流采集电路分别采集电池组电压和充放电电流。模块通过下行的串行485口, 带站号召唤测试模块, 获得每节电池的数据, 结合电池组电流计算每节电池的剩余电量; 液晶屏分时显示单体电池电压、温度、剩余电量和整组电压和电流, 在发生异常情况下弹出告警画面, 结合语音电路对驾驶员进行提示。模块通过上行的串行232口, 与后台维护软件通信, 可对电池组参数(电池节数、电池额定容量和各种告警阀值)进行调整, 且记录在模块内的EEPROM内。图4 监测和显示模块工作原理Fig. 4 Principle of monitor and display module目前电动汽车常用的蓄电池为阀控式密封铅酸蓄电池, 图5为12 V铅酸蓄电池10倍率放电曲线, 在放电初期(曲线0-a段)和放电末期(曲线b-c段), 蓄电池端电压下降较快, 而在放电中期(曲线a-b段), 蓄电池端电压下降缓慢。当蓄电池端电压下降到 10.8 V时, 应立即停止放电。此时蓄电池电动势由于去掉了放电负载, 会上升到12.0 V左右(曲线c-e段)。曲线中的c点为端电压急剧下降的临界点, 此时若不停止放电, 端电压会迅速下降(曲线c-d段), 导致极板硫化, 缩短蓄电池的寿命3。图5 12 V铅酸蓄电池放电曲线Fig. 5 Discharge curve of 12 V lead-acid battery由于电池剩余电量与电池的端电压非线性关系, 为方便程序编写且保证测量准确性, 经过多次试验对放电曲线进行分段线性化, 根据端电压数值插值计算电池剩余电量。而在电池充电前, 系统应首先在空载情况下测量各节电池端电压, 计算剩余电量, 充电时监测充电电流, 记录充电时间, 根据电池额定容量(Ah数)进行积分计算, 结合充电电流下降情况, 对电池容量进行分析和计算。3 单体电池均衡充电方法电池组中的电池不可避免的存在不一致性。电池的不一致性是指同一型号规格的电池的电压、内阻、容量等参数存在差异。产生这种差别的主要原因有两个方面: 一是在制造过程中, 由于电池组中各个电池电解液密度以及工艺和材料均匀性问题, 使得同批次出厂的同型号电池的容量、内阻等不完全一致; 二是在电池使用时, 温度和通风条件等的差别, 会增加电池的不一致性。电池间的不一致性会使电池组中容量低的电池更容易过充电和过放电, 在循环充放电过程中, 若不对电池系统加以管理, 电池的不一致性会不断扩大, 从而使得电池组充放电转换效率、输出功率下降, 电池组使用寿命以及系统的可靠性均会受到影响。为了延长电池组的使用寿命, 在对蓄电池充放电时, 应尽可能地按照蓄电池所提供的充放电特性曲线进行。在电池放电过程中对单体电池进行检测, 避免单体电池过放电。而在充电过程中应采用三段式充电方式, 恒流充电恒压充电涓流充电4, 同时在电池组充电时应通过单体电池均衡充电的方法来避免单体电池的过充电和欠充电。串联电池组单体电池均衡充电是指对串联电池组中不同的电池采用不同的充电电流。串联电池组中每节电池的充电电流通常相同, 必须给电池组增加额外的元件和电路来实现单体电池均衡充电。图6为单体电池均衡法的拓扑结构。在每节电池上附加一个均衡电路(ICE), 利用功率管和电阻进行串联组成旁路电路与单体电池并联, 当某个电池电压达到充电上限时, 经过比较电路使功率管导通, 可使部分充电电流流过旁路电阻, 避免该节电池过充电。但该方法的旁路电阻的阻值大小难以确定, 太大均衡效果不明显, 太小功耗却较大。至于其他的单体电池均衡充电方法, 虽然有很多文献介绍, 但由于电路复杂、成本较高, 基本都处于实验室研究阶段5-7。图6 单体电池均衡充电法的结构Fig. 6 Structure of single battery equalization charge4 PWM分流法实现单体电池均衡充电如图7所示, 在每节电池两端并联PWM分流电路, 其中开关S为功率MOSFET, R为分流电阻。 将单节电池等效为一直流电压源与其内阻Rb的串联, I为充电机电流。图7 PWM分流法工作原理Fig. 7 Principle of PWM distributaries method对MOSFET采用PWM控制, 当分流电路不工作时, 即MOSFET不导通, 电池两端电压为U1=Ub +IRb(1)当PWM分流电路工作时, 设PWM的占空比为, 电池两端电压为U2, 则IR=U2 /R(2)U2=Ub + (I-IR)Rb(3)将式(2)和式(3)合成, 得到式(4): U2= (Ub +IRb )/ (1+Rb / R)(4)显然在充电状态下, 该节电池的端电压由于MOSFET和分流电阻R的工作得到了降低。分流电阻R的数值可结合电池最大充电电流、单体电池最高充电电压、分流电阻的最大功耗和希望达到的最大分流比来计算, 降低的电压可通过比较其他电池的端电压, 调整MOSFET的占空比a 来控制。在电池充电过程中, 监测和显示模块单元比较各节电池电压, 对高于平均电压一定比例的电池进行PWM分流控制。具体方法为通过485总线带站号下发对应测试模块中分流电路的PWM占空比, 不同的电池对应不同的导通占空比, 分流电路的分流量根据电池端电压而动态调整, 可同时对多节电池进行不同分流控制, 调整不同电池的端电压, 使各节电池的充电电压趋于一致, 达到各节电池均衡充电的目的。5 PWM分流实验采用不一致性较大的4节12 V/7 Ah蓄电池串联组成48 V系统, 用稳压电源模拟充电机, 检测各电池端电压变化情况。由表1的数据可以看出, 在未采用PWM分流法时, 在55 V的均充电压下, 各节电池端电压差异较大, 第2、4节电池的端电压已超过正常的均充电压值14.1 V, 而第1、3节电池端电压尚未达到正常的浮充电压值13.2 V。采用PWM分流法后, 第2、4节电池的对应的PWM分流电路开始工作, 降低了对应电池的端电压, 由于充电机电压固定, 第1、3节电池端电压上升。随着时间的推移, 第1、3节电池的能量得到补充, 端电压上升, 而第2、4节电池进一步降低, 各节电池端电压逐渐趋于接近。对电池组正常均充电1小时后, 放电到组压为50V时, 记录各节电池端电压; 采用PWM分流法对电池组均充电1小时后, 再放电到组压为50V时, 记录各节电池端电压, 两组数据如表2所示。表1 充电情况下各电池端电压比较Table 1 Comparison of voltage in charge电池编号未采用PWM分流法采用PWM分流法(1分钟后)采用PWM分流法(1小时后)112.88 V13.21 V13.36 V214.27 V13.99 V13.84 V313.01 V13.55 V13.72 V414.75 V14.14 V13.96 V表2 放电情况下各电池端电压比较1Table 2 Comparison 1 of voltage in discharge 电池编号未采用PWM分流法采用PWM分流法112.04 V12.28 V212.69 V12.59 V312.35 V12.48 V412.85 V12.63 V通过比较, 可知由于在均充电时采用PWM分流法, 1号和3号电池的充电性能得到提高, 得到了更多的能量补充, 在放电状态下电池电压下降速率变缓, 电池间的不一致性得到抑制。对电池组进行正常均充, 当均充电压为55 V, 而充电电流降为0.1 A时, 以22 W的变阻器作为负载进行放电, 90分钟后出现“单体电池欠压”告警, 记录各节电池的端电压; 对电池组采用PWM分流法进行均充, 同样当均充电压为55 V, 而充电电流降为0.1 A时, 以22 W的变阻器作为负载进行放电, 90分钟后再记录各节电池的端电压。两组记录数据如表3所示。表3 放电情况下各电池端电压比较2Table 3 Comparison 2 of voltage in discharge电池编号未采用PWM分流法采用PWM分流法110.80 V11.10 V211.36 V11.44 V311.24 V11.30 V411.77 V11.75 V整组电压45.2 V45.6 V通过比较, 可知由于在均充电时采用PWM分流法, 各节电池补充能量趋于均衡, 在放电时端电压下降速率接近, “单体电池欠压”告警出现的时刻推迟, 整组电压下降速率也变缓, 即电池组输出功率得到提高。6 结 论传统的电动汽车电池管理系统只是对电池的状态进行检测, 包括端电压、表面温度, 在发现电池异常状态后进行告警, 这是一种被动的电池管理方式。相对而言, 通过外部电路实现电池组单体电池的均衡充电可在一定程度上克服电池使用过程中出现的不一致性, 避免落后电池的出现, 是一种主动的电池维护方式。但由于传统的电池组单体电池的均衡充电在实施上有诸多的缺陷, 特别是对于大容量电池, 难以进行工程实践, 故目前的电池管理系统都还只是实现检测功能。随着电子器件, 尤其是单片机价格的不断下调, 分布式电池检测装置开始替代传统的集中采集装置, 即为每节电池配置一块测试模块, 与一台监测模块相配合, 可对电池组实现完善的实时监测8, 而在测试模块中添加PWM分流电路, 与监测模块配合采用PWM分流法来实现电池组中单体电池的均衡充电, 既有被动管理, 也有主动维护功能, 无疑将极大提升电池管理系统的性价比。参考文献: 1 钟静宏. 电动汽车电池组管理系统研究及实现J. 电源技术, 2006, 30(11): 925-928.ZHONG J H. 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