电池均衡方法

1、仪器仪表检测监控现代制造工程2 0 0 9 年第4 期 电池均衡的H E V 动力电池电量计量方法 尹基成，李礼夫 ( 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州5 1 0 6 4 0 ) 摘要：针对混合动力电动汽车( H E V ) 电池能量均衡中的电容量计量问题，建立电池放电过程的数学模型，分析电压均衡 计量法和S O C 均衡计量法在电量计量方面的特点和不足，提出相对剩余电能量K 均衡计量法，并从理论与实验两方面 对此进行论证。 关键词：混合动力电动汽车动力电池；电容量计量；电池均衡 中图分类号：U 4 6 3 6 3 3 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 l _ 3 1 3 3 ( 2

2、0 0 9 ) 0 4 - - 0 0 7 9 - - - 0 4 H y b r i de l e c t r i cv e h i c l eb a t t e r ye n e r g ym e a s u r e m e n t b a s e do nb a t t e r i e sb a l a n c e Y I Nj i - c h e n g ，L IL i - f u ( S c h o o lo fM e c h a n i c a l & A u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g ，S o u t hC h i n aU n i

3、 v o fT e e h ，G u a n g z h o u51 0 6 4 0 ，C H N ) A b s t r a c t ：A i m i n ga tt h eb a t t e r ye l e c t r i c a le n e r g ym e a s u r e m e n ti nb a t t e r yb a l a n c ef o rh y b r i de l e c t r i c a lv e h i c l e ，f i r s t l y ，am a t h e m a t - i cm o d e lo fb a t t e r yd i s c

4、 h a r g ei ss e tu p T h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ev o l t a g eb a l a n c ea n dS O Cb a l a n c ei nb a t t e r ye n e r g ym e a s u r e m e n t 8 r ea n a l y z e d N e x t ，t h eKv a l u em e a s u r e m e n tf o rb a t t e r ye l e c t r i c a le n e r g yi sd e v e l o p e db a

5、s e do nb a t t e r yb a l a n c e F i n a l l y ，t h ee x - p e r i m e n t a la n dt h e o r e t i c a la n a l y s i so nt h eKv a l u em e a s u r e m e n ti sd i s c u s s e d K e yw o r d s ：H E Vp o w e rb a t t e r y ；e l e c t r i c a lc a p a c i t ym e a s u r e m e n t ；b a t t e r i e s

6、b a l a n c e 混合动力电动汽车( H E V ) 动力电池的不一致性 是指同一规格型号的电池组成的电池组，在电压、内 阻和电荷量等参数上所存在的差别。在H E V 行驶 过程中，准确计量电池均衡中的电量，将对提高H E V 电池组的性能，延长其电池的使用寿命和保证H E V 的 动力性有着重要的意义。目前，常用于动力电池均衡 的方法有【2 J ：能量搬迁均衡法、能量耗散均衡法和能 量变换均衡法等，但从电池均衡控制来看，动力电池 电量的计量方法，可以分为电压均衡计量法和S O C 均 衡计量法p 1 。 1 ) 电压均衡计量法是以电池工作电压为参数，通 过电池电压的计量值来控制开关

7、电容平衡器的衫放 电，实现电池组中各个电池电量均衡的方法。根据电 池工作( 形放电) 的基本原理，具有一定电动势E 的 电池，其恒流放电过程可采用U l t r aC a p 的阻容等效电 路来描述【5J ，其对应的数学表达式为： d Vr t 、 R c 二二半+ ( t ) = 0 ( 1 ) 广东省电动汽车研究重点实验室开放基金项目( B 2 1 F A O ( g ) 0 8 ) 式中：R 、C 分别为电池的等效电阻和等效电容；K ( t ) 为电池T 作电压，匕( t ) = E e 一赢，E 为电池的初始电动 势，t 为放电时间。 同时，依据电路基本原理，可推出电池工作电流 L (

8、 t ) = E e 一葡R ，电池放电电能量形( t ) 为： t 2t 2 ，丑 E ( ) = I E ( t ) C ( t ) d t = f E 2 e 丽d t ( 2 ) J lJ l 因此，由式( 1 ) 、式( 2 ) 可知，K ( t ) 、，c ( t ) 和肜( t ) 分别是R 、C 和t 的函数。图1 是电压为1 2 V 、电容量 为1 0 A h 的铅酸蓄电池，在R 分别为0 6 1 1 、1 2 1 1 、 2 1 1 条件下放电时，电池的职( t ) 与其放电时间t 的关 系曲线图。从图1 可知，尽管电池的初始电动势E 相 同，但由于其等效电阻尺的不同，根据

9、式( 2 ) 可推出，在 相同的放电时间段内，具有相同E 和不同R 的电池，所 具有的电能量耽( t ) 不同。如图1 所示，在0 5 0 0 s 的 时间段中，耽( t ) 随尺值的增大而变小，而尺值及其变 化主要取决于电池本身的特性，因此，仅用电池电压( 或 7 9 万方数据 现代制造工程2 0 0 9 年第4 期仪器仪表检测监控 电动势) 的大小来判断电池能量的多少是不准确的。 3 2 S 譬 1 t s 图1 不同R 条件下电池的W c ( I ) 与t 的关系曲线 2 ) S O C 均衡计量法是以电池的荷电状态S O C 为 参数，通过S O C 的计量值来控制电池的充放电，使各

10、电池的S O C 值达到一致，实现电池组之间电量一致的 均衡方法。其中电池的S O C 定义为： d t，警d t s o c ( t ) = l 一21 一r ( 3 ) 式中：Q 为电池的额定电容量。 由式( 3 ) 可知，s o c ( t ) 是R 、C 和t 的函数，当采用 电压为1 2 V 、电容量为1 0 A h 的铅酸蓄电池，在R 为 0 6 1 1 、1 2 1 1 、2 1 1 条件下放电时，依据式( 3 ) 可得电池 的S O C ( t ) 与其放电时间t 的关系曲线，如图2 所示。 05 0 01 5 0 02 5 0 0 3 5 0 0 t s 图2 不同R 条件下

11、电池的S O C ( 1 ) 与t 的关系曲线 由图2 可知，电池的S O C ( t ) 与其放电时间t 之间 呈近似线性关系，并且其值随着R 的增大而增大。然 而，由图1 可知，电池的电能量耽( t ) 与放电时间t 之 间呈近似a + 6 ( c 厩) e 。2 “- ) 儿】2 的非线性关 系，其中口、b 、c 和t ，为常数。因此，利用S O C ( t ) 与t 之间的线性关系，来表示形( t ) 与t 之间的非线性关 8 0 系的电池电量平衡的S O C 均衡法，在电池电量计量时 是不精确的。 1 相对剩余电能量K 均衡计量法 针对电压均衡计量法和S O C 均衡计量法所存在 的

12、问题，笔者提出基于电池均衡的相对剩余电能量K 均衡计量方法，它以能量平衡为主线，通过动态地检 测电池的工作状态，来获取电池的工作电流，c ( t ) 、工 作电压K ( t ) 和工作时间t ，计算电池的相对剩余电能 量K ( t ) ，实现对动力电池能量均衡的动态计量。其中 相对剩余电能量K 的定义式为M 6J ： I K ( f ) L ( t ) 叼。( f ) ，7 i ( f ) d t K ( f ) = 1 一L 孑一( 4 ) W ，v 式中：K ( t ) 、，c ( t ) 分别为t 时刻电池T 作( 放电或充 电) 电压和工作电流；矾为电池组额定电能量； 仇( t ) 、

13、，7 。( t ) 分别为电压、电流的影响系数，其值可由 实验获取。 图3 所示R 分别为0 6 Q 、l - 2 1 1 、2 Q 条件下，电压 为1 2 V 、电容量为1 0 A h 的铅酸蓄电池放电时，电池 的K ( t ) 与放电时间t 的关系曲线。 口 膏 t s 图3 不同R 条件下电池的K ( t ) 与t 的关系曲线 对比图1 、图2 和图3 可知，相对剩余电能量K ( t ) 具有与形( t ) 相似的非线性关系，因此其较好地表示 了电池的电能量与其工作时间的非线性关系，减少或 消除了S O C 均衡计量法存在的线性化误差。 2 实验与分析 根据相对剩余电能量K 均衡计量法的

14、原理，对 H E V 动力电池进行放电电量的均衡计量实验，实验对 象是串联方式连接的三个标称电压为1 2 V 、标称电容 量为1 0 A h 的铅酸蓄电池，它们分别记为电池1 、电 池2 和电池3 ，实验系统原理图如图4 所示。 1 O O O O 万方数据 仪器仪表检测监控现代制造工程2 0 0 9 年第4 期 电流传感器ll 电压传感器HI o 口H 采集卡 电池1 电池2 电池3 用电器 计算 机能 罱均 衡控 制系 统 图4 实验系统原理图 该实验系统由串联电池组、用电器、传感器、数据 采集装置和计算机能量均衡控制系统所组成。实验 时，以模拟H E V 实际行驶工况对电池进行变电流放

15、电，通过H E V 动力电池计算机能量均衡控制系统，分 别采集放电过程中电池的电压、电流和放电时间的状 态信息，然后依据上述三种电池均衡计量法原理，利 用计算机对这些电池状态信息进行处理和分析，进而 获取三个电池的放电电压、电流、电能量、S O C ；( t ) 和 K ( t ) 随时间的变化关系。其中图5 、图6 分别为从 3 1 6 0 3 3 6 0 s 时间内三个电池的放电电流L ( t ) 、放电 电压屹( t ) ( i = 1 ，2 ，3 ) 随放电时间t 变化的关系曲线。 图5 电池的( t ) 与放电时间t 之间的关系曲线 1 2 1 2 之1 2 口 1 1 3 1 5

16、03 2 0 03 2 5 03 3 0 03 3 5 0 t s 图6 电池的屹( f ) 与放电时间t 之间的关系曲线 由图5 、图6 可知，尽管各个电池的放电电流，c ( t ) 相同，但它们的放电电压圪( t ) 随时间而发生变化，如 屹。( t ) 的标准差为0 0 8 7 ，v c 2 ( t ) 的标准差为0 1 0 4 ，说 明K ( t ) 值相差较大；v c ，( t ) 的平均值为1 2 0 4 V ， 圪( ) 的平均值为1 1 8 5 V ，乃( ) 的最大值与比( f ) 的最小值之差达0 4 9 8 V ，因此，通过电压均衡计量法 所测量的电池电量的误差较大。三个

17、电池在3 1 6 0 3 3 6 0 s 时间内，S O C ；( t ) 与K ( t ) ( 江1 ，2 ，3 ) 随放电时 间t 变化的曲线分别见图7 和图8 ，三个电池的S O C i ( t ) 具有随放电时间增加而以相同值减小的趋势，其中 S O C i ( t ) = 1 6 8 5 2 5 t + 5 0 7 t 2 。由于在放电过程中 三个电池的L ( f ) 相同，而比( t ) 不同，根据电池电能 量计量原理可推知，它们的电能量眈( t ) 不相同，因 此，通过S O C i ( t ) 来度量电池均衡过程中的各个电池 电能量不准确。同时，由图8 可知，K ( t ) 具

18、有随放电 时间增加而以不同值减小、且其变化趋势与S O C ；( t ) 相似的特点，K ，( ) = 1 6 5 5 0 S t + 4 9 5 t 2 ，从此式可 知，K ( t ) 的截距和各阶系数较S O C i ( t ) 的对应值要 0 0 30 叮 o 0 0 O t s 图7 电池的S O C l ( t ) 与放电时间t 的关系曲线 图8 电池的K ( t ) 与放电时间t 的关系曲线 8 1 万方数据 现代制造工程2 0 0 9 年第4 期 仪器仪表检测监控 小，即这些差异反映了电池亿( t ) 对职；( t ) 的影响。 因此，K i ( t ) 是准确表示电池均衡过程中

19、各个电池电能 量的计量量之一。 3结语 准确地计量电池电能量是H E V 动力电池能量均 衡的关键技术之一。理论与实验表明，由于电压均衡 计量法和S O C 均衡计量法存在着电池电能量计量原 理误差，因此，它们不能准确反映工作过程中的电池 电能量及其变化。而相对剩余电能量的K 值法综合 利用T 作过程中的各个电池电压、电流及内阻信息， 来计量电池均衡过程中各个电池的电量，因此它既符 合电池电能量测量原理，又能准确反映出各个电池电 能量大小及其变化趋势，是一种用于H E V 动力电池电 能量均衡计量的实用方法之一。 参考文献： 1 胡骅，宋慧电动汽车 M 北京：人民交通出版社， 2 0 0 3

20、2 袁翔，黄威，等铅酸蓄电池的充放电均衡方法 J 长沙交通学院学报，2 0 0 5 ( 3 ) 3 麻友良，陈全世铅酸电池的不一致性与均衡充电的 研究 J 武汉科技大学学报：自然科学版， 2 0 0 1 ( 1 ) 4 李礼夫，符兴锋混合动力电动汽车电能量监控方法 的实验研究 J 现代制造工程，2 0 0 5 ( 1 1 ) 5 S h i n p oT D e v e l o p m e n to fB a t t e r yM a n a g e m e n tS y s t e m f o rE l e c t r i cV e h i c l e C P r o e o ft h e1

21、 4 t hI n t e r n a t i o n a l E l e c t r i cV e h i c l eS y m p o s i u m ，1 9 9 7 6 李礼夫，符兴峰基于电功率的H E V 动力电池能量 的监控方法 J 汽车电器，7 0 0 6 ( 8 ) 作者简介：尹基成，硕士研究生，研究方向：汽车电子控制系统。 李礼夫，教授，博士生导师，研究方向：车辆性能测试与 分析技术、车辆控制、故障诊断与信号。 E m a i l ：p m l f l i $ c u t e d u c n 收稿日期：2 0 0 8 - 0 9 - 0 1 ( 上接第7 1 页) 工作区域的材料特性，使之不产生腐蚀。 原理1 8 为机械振动。此原理体现在五个方面： 1 ) 使物体处于振动状态；2 ) 对有振动的物体，则增加 振动的频率；3 ) 使用物体的共振频率；4 ) 用压电振动 器代替机械振动器；5 ) 使用超声