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车用蓄电池均衡充电技术研究
车用蓄电池均衡充电技术研究
摘要
蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点,它广泛地应用于发电厂、变电站、通信系统、电动汽车、航空航天等各个部门。
传统的蓄电池充电器结构简单、充电方法单一,无法根据蓄电池的荷电状态调整充电方法,达到蓄电池容量的完全恢复,没有对蓄电池充电过程的监测、保护及修复等功能。
本文分析了利用电池自身的能量作为均衡输入,重点分析了均衡充电方法的主要特点,有效弥补电池的不一致性,充分发挥动力电池的性能,延长电池的使用寿命。
关键词:
电动汽车;车用电池;均衡充电。
ResearchonEqualizationChargingTechnologyofVehicleBattery
Abstract
Thebatteryhastheadvantagesofstablevoltage,reliablepowersupplyandeasytomove.Itiswidelyusedinpowerplants,substations,communicationsystems,electricvehicles,aerospaceandotherdepartments.Thetraditionalbatterychargerissimpleinstructureandsimpleinchargingmethod.Itcannotadjustthechargingmethodaccordingtothestateofchargeofthebattery.Itcanfullyrestorethecapacityofthebatteryanddoesnotmonitor,protectandrepairthechargingprocessofthebattery.Thispaperanalyzestheuseofthebattery'sownenergyasabalancedinput,focusingonanalysisofthemainfeaturesofbalancedchargingmethodtoeffectivelycompensatefortheinconsistencyofthebattery,givefullplaytotheperformanceofpowerbatteriestoextendthebatterylife.
Keywords:
electricvehicle;vehiclebattery;balancedcharge.
目录
绪论4
1、蓄电池的不一致性4
2、使用过程中蓄电池的不一致性扩大的原因4
2.1蓄电池过充电的影响4
2.2充电接受能力和过充电4
2.3充电接受能力的差异对蓄电池充电的影响5
2.4蓄电池过放电的影响6
3、蓄电池组中各蓄电池容量不一致的影响6
4、各种均衡充电的技术6
4.1集中均衡充电技术6
4.2独立均衡充电技术7
4.3分散均衡技术9
5、结论9
参考文献10
绪论
单个蓄电池的电压与容量有限,在很多场合下要组成串连蓄电池组来使用。
但蓄电池组的中的电池存在均衡性的问题。
如何提高蓄电池组的使用寿命,提高系统的稳定性和减少成本,是摆在我们面前的重要问题。
蓄电池的使用寿命是由多方面的因素所决定,其中最重要的是蓄电池本身的物理性能。
此外,电池管理技术的低下和不合理的充放电制度也是造成电池寿命缩短的重要原因。
对蓄电池组来说,除去上述原因,单体电池间的不一致性也是个重要因素。
针对蓄电池充放电过程中存在的单体电池不均衡的现象,本文提出了目前的几种均衡充电方法,并进行了研究分析。
1、蓄电池的不一致性
蓄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;
二是在电池装车使用时,由于电池组中各个蓄电池电解液密度、温度和通风条
件等的差别,增加了蓄电池的不一致性。
2、使用过程中蓄电池的不一致性扩大的原因
2.1蓄电池过充电的影响
过充电所产生的大量气泡会对极板微孔造成压力,使极板活性物质容易脱落,电解液因析气而水分减少,其密度增大,液面下降,使得蓄电池的电解液密度过高,极板因液面过低而外鼯氧化,这均使极板容易硫化,使寿命缩短。
2.2充电接受能力和过充电
铅酸蓄电池的充电接受能力是指电解液只产生微弱析气的前提下所能够接受的最大充电电流。
1967年美国麦斯(J.A.Mas)经过大量试验提出了蓄电池充电可接受电流定律:
(2-1)
式中:
I一在充电过程中某一时刻蓄电池的充电可接受电流;I。
一开始充电(t=O)时电池的充电可接受电流;a一充电可接受电流衰减常数。
从图2.1中可知,产生大量析气现象不仅出现在蓄电池充电的后期,在充电的任何时间里,只要充电电流大于当时的接受电流,就会出现“过充电”现象。
图2.1电池充电可接受曲线
如果充电过程中始终保持可按受的充电电流,则蓄电池的容量可由下式求出:
(2-2)
由上式得:
(2-3)
由式(2—3)可知,对于充电可接受电流衰减常数a基本相同的同一型号蓄电池,蓄电池的容量决定了蓄电池的可接受充电电流;某一个电池的实际容量下降时,其充电可按受电流也相应减小。
2.3充电接受能力的差异对蓄电池充电的影响
两个充电接受能力有差异的蓄电池串联后Ic的恒定电流充电(图2-2),充电可接受电流低的2号电池在Tl~T2充电时间里将有大量的水被电解。
如果蓄电池组中各电池的容量不一致,就会出现充电电流超过容量较低的充电可接受电流的情况。
这样会使充电接受能力低的蓄电池充入的电量减少,析气量增加,使得极板更容易硫化,蓄电池容量降低,并导致充电接受能力更低。
图2-3充电接受能力差异对充电蓄电池的影响
2.4蓄电池过放电的影响
蓄电池过放电时,其端电压急剧下降,并易使极板上生成粗晶粒的硫酸铅(硫化),可见,过放电同样可使电池容量降低,影响其使用寿命。
由于终止电压监测的及时性和可靠性问题,从而使锝蓄电池能量管理系统很难实现及时准确的终止放电控制,因此,蓄电池组中容量低的电池过放电问题难以避免。
蓄电池组中蓄电池容量差距越大,容量低的电池过放电就会越严重。
以上分析的分析为蓄电池均衡充放电管理提供了新的思路。
从蓄电池本身来说,影响其容量均衡和电压均衡的因素本来就不仅仅是充电过程。
运行与荷电备用状态的蓄电池组大部分时间也不是处于充电状态。
引起蓄电池容量不均衡和电压不均衡的原因存在于充电、放电、浮充等每一个环节。
因此,将均衡充电理解为均衡充放电管理更合理。
3、蓄电池组中各蓄电池容量不一致的影响
如上所述,组成蓄电池组的各电池的内阻、容量等参数的不一致性,会使电池组中容量低的蓄电池更容易过充电和过放电,从而使蓄电池组陷于电池极板硫化加剧,容量差距更进一步拉大的恶性循环中。
这不仅缩短电池的使用寿命,而且还会因为蓄电池极板硫化丽内阻增大和有效活性物质减少,从而使蓄电池组充放电转换效率、输出功率和装置性能下降。
4、各种均衡充电的技术
从均衡结构的拓扑形式来分,常用的均衡充电有集中均衡和独立均衡两种(图4)。
图4常用均衡结构图
4.1集中均衡充电技术
集中均衡充电通过均衡控制单元控制继电器网络的切换实现同一个均衡充电单元对不同单体电池进行均衡充电的控制。
这种方法充电硬件设备简单,每次只能给电池组内的一只电池进行均衡充电。
集中均衡就是整个电池包共用一个均衡器,均衡系统结构框图见图4.1,图中E1,E2,......,En为电池组。
均衡器的核心是一个由控制器、场效应管Q和高频变压器T组成的DC2DC变换器,变换器有一个输入US和n个输出u1~un,电路设计时使u1=u2=...=un=Us/n,Us为电池包端电压。
图4.1集中均衡系统框图
由图4.1可见,即使外电源切断时,均衡器也能对电池包开路电压进行自均衡。
DC—DC变换器中uˆv为控制器的给定电压,uv为反馈电压,经控制器的调节,DC—DC变换器的输出电压u1~un与u3v成正比。
如果使uˆv与US保持同步变化,则DC—DC变换器的输出电压u1~un必然与US保持同步变化,这样无论US如何变化均能进行均衡控制。
集中型结构适合同种类型的电池,且电池数量不太大的情况。
其特点是:
线束的数量多,但总体积小、质量轻、整体成本低。
但继电器网络控制逻辑要求高,均衡充电效率低。
一旦控制器、场效应管Q和高频变压器T损坏,须更换整个均衡器电路,维修成本高
4.2独立均衡充电技术
独立均衡充电有若干均衡充电单元,通过分布的均衡控制单元控制每个均衡充电单元对一节电池或一组电池进行均衡充电。
与集中均衡充电相比硬件复杂。
设备成本高,但是均衡充电的自动化程度高,控制灵活,可以同时对多只电池进行均衡化处理口。
图4.2所示逆变分压均衡充电综合了以上结构的优点,采用变压器多副边结构,每个逆变副边近似一个恒压源的均衡单元,给电池组内的一节电池进行均衡,所有的副边均衡单元通过主控制器控制P1、P2的脉宽实现均衡充电特性的调节,大大简化了控制逻辑和硬件结构。
图4.2逆变分压均衡充电原理图
在图4.2中,逆变结构采用标准的半桥电路。
设第i节电池端电压为Ei(j=l~N),开关控制信号占空比δ,变压器各副边匝数相同,原副边变比为N1:
N2。
为简单起见,研究N节串联电池组中出现1、2两只电池较其它电池电压低的情况。
假设E为电池组的平均电压值,Ej、△Ei分别表示第j节电池的端电压和与电池组平均电压值的偏差,Ui表示经过逆变分压均衡后施加在第i节电池两端的电压,Ii表示第i节电池的充放电电流,正表示充电,负表示放电。
设第1节电池电压为:
E=E—AE,
第2节电池电压为:
E2=E一△E2
则:
当
时,Ui=E。
此时只有第1、2节电池有充电电流,其它电池都在放电。
计算可以得到:
其中i=(3~N)
(1)
其中R1、R2代表第1、2节电池常温下的内阻。
由公式
(1)可知,不一致电池的均衡充电电流与偏离电池组平均电压值成线性关系,△Ei越大,该电池的均衡化的充放电电流也越大。
因此逆变分压均衡充电能根据电池的不一致性程度自动分配均衡能量,让△Ei大的电池均衡充电电流大,使其尽快接近电池组的平均水平,达到均衡的目的。
整个过程无需控制单元干预,自动分配均衡的能量。
经过分析研究表明,逆变分压均衡充电技术,结构简单,能量利用率高,均衡效果好,能有效延长电池的使用寿命。
4.3分散均衡技术
分散均衡就是n个电池组采用n-1个均衡器进行均衡,其拓扑图见图4.3。
图中的均衡器实际上是一个双向DC—DC变换器,在电池组E1和E2之间接均衡器1,可使E1和E2均衡;在电池组E2和E3之间接均衡器2,可使E2和E3均衡,同时也达到了E1和E3均衡的目的。
这样2个均衡器可实现使3个电池组间的均衡,以此类推,采用n-1个均衡器可对n个电池组进行均衡。
图4.3分散均衡系统图
分散型结构更适合于不同类型的电池,以及电池组数量大的情况。
同时它将极大地减小线束的数量。
但是,由于该系统中的每一个单元均衡器仅测量一个电池组,且都需要一个微控制器,所以整个系统的造价昂贵,整个均衡器体积大、质量大。
当n个均衡器中有一个损坏只需更换其中一个,维修成本低得多。
5、结论
经过理论分析与实际研究分析,本文提出的3种均衡充电技术中,集中均衡技术和分散均衡技术在一定程度上解决了电池组间电压不均衡的问题,若组内单体电池的数目较多,组内单体电池电压可能存在较大差异,因而不能根本解决单体电池过充和过放等问题。
若缩小电池组,即增加电池组数目,势必增加电池管理系统,使电池包体积、质量、成本变得无法接受。
而逆变分压均衡充电技术利用动力电池组的总电压作为均衡充电的输入,只要动力电池处于成组状态,无论在充电还是放电状态都可对其进行均衡化处理,有效的延长了动力电池的均衡时间,提高了均衡效果。
同时它采用变压器耦合多副边结构,大大简化了均衡充电的控制网络,系统运行安全可靠。
参考文献
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