动力电池成组应用及管理技术-李

动力电池成组应用及管理技术动力电池成组应用及管理技术李军求李军求[e-mail]@bit.edu.cn北京理工大学北京理工大学动力电池动力电池电动汽车：电动汽车：三大核心技术三大核心技术‹‹电机：异步感应电机、永磁同步电机电机：异步感应电机、永磁同步电机‹‹电控：能量管理控制、车辆行驶控制电控：能量管理控制、车辆行驶控制‹‹电池：镍氢电池、锂离子动力电池。电池：镍氢电池、锂离子动力电池。电池技术成为电动汽车推广应用的技术瓶颈，表现在：‡电池使用寿命；‡电池充电时间；‡电池成本。501001502002001003004000质量比能量质量比能量((WhWh/kg)/kg)铅酸钴酸锂锰酸锂磷酸铁锂动力电池动力电池动力电池动力电池在现有电池技术条件下，电池成组应用技术是提高电池综合性能的有效途径。电池成组电池成组应用技术应用技术遴选高性能锂离子动遴选高性能锂离子动力电池力电池5~105~10倍提高电池倍提高电池组使用寿命组使用寿命Question:f(∑单体)=∑f(单体)?单体电池好＝电动车好？单体电池理想容量：假设电池单体每一次（标准电流和温度)充放电后容量衰减成线性关系P，单体总寿命为N,初始容量为C0，则n次循环后单体电池理想容量为动力电池成组集成理论动力电池成组集成理论0()(1)nPCnCN=−×不一致性影响下电池组容量衰减：电池单体的不一致性加速了电池组寿命，电池组寿命受制于最为恶劣的电池单体寿命。考虑电池不一致性的电池组实际容量为：动力电池成组集成理论动力电池成组集成理论0()()nCnfCC=Δ×电池组实际容量：结合电池单体理想容量和不一致影响0)1()()(CNnPCfnCn×−×Δ=影响电池组不一致性因素：„电池组充放电工况，浅充浅放有利于提高寿命„电池组连接方式，先并后串方案要优于先串后并方案„电池组使用环境，温度、振动„电池组数量。动力电池成组集成理论动力电池成组集成理论4.154.154.174.174.194.194.214.214.114.114.134.134.094.094.074.070.00.00.30.30.10.10.20.2概概率率PP电压电压/V/V4.154.154.174.174.194.194.214.214.114.114.134.134.094.094.074.070.250.250.000.000.050.050.100.100.150.150.200.2033个月个月4.154.154.174.174.194.194.214.214.114.114.134.134.094.094.074.070.000.000.050.050.100.100.150.150.200.20概概率率PP概概率率PP11个月个月55个月个月电压电压/V/V电压电压/V/V动力电池成组集成理论动力电池成组集成理论提高电池组一致性手段：„提高电池制造工艺水平；„统一规格、同一批次电池组合；„电池参数实时监控，及早发现性能较差电池„间隔一段时间对电池进行维护„避免电池过充、过放„保证电池良好的使用环境，包括温度、连接等„匹配优良的电池管理系统。动力电池成组集成理论动力电池成组集成理论电池组实际使用过程中，不可能保持标准温度或标准电流使用，受制于车辆使用工况。()1000,batbateECUSOCitξ⋅≥⋅Δ⋅电动汽车电池组匹配理论0.60.650.70.750.80.850.9303540455055606570dSOCCbatξ(i,t)=0.7ξ(i,t)=0.8ξ(i,t)=0.9环境温度和电流对电池组容量的影响0.3C恒流进行放电1C恒流进行放电2C恒流进行放电4C恒流进行放电0.3C恒流进行放电1C恒流进行放电2C恒流进行放电4C恒流进行放电动力电池成组集成理论动力电池成组集成理论动力电池具体指标要求动力电池具体指标要求动力电池具体指标要求动力电池具体指标要求单位电池性能目标（轻度混合）电池性能目标（中度混合）纯电动续驶里程miles1040峰值放电功率(2s/10s)kW50/4546/38峰值充电功率(10s)kW3025最大电流(10s脉冲)A300300可用能量（荷电状态消耗模式）kWh3.411.6可用能量（荷电状态保持模式）kWh0.50.3最低能量效率（荷电状态保持模式）%9090使用寿命，35℃年1515最大质量kg60120最大体积L4080最高工作电压V400400最低工作电压Vmax0.55V≥×max0.55V≥×最大自放电Wh/天5050工作温度范围℃-46～66-46～660306090U1U2I1I2基本电流高测试电流2121IIUUIUR−−=ΔΔ=动力电池测试方法动力电池测试方法动力电池动力电池DSTDST工况工况动力电池测试方法动力电池测试方法‡‡动力蓄电池管理系统动力蓄电池管理系统(BatteryManagementSystem)(BatteryManagementSystem)对电动汽车动力电池实施有效的管理，使动力电池工作在合理的电压、电流、温度对电动汽车动力电池实施有效的管理，使动力电池工作在合理的电压、电流、温度范围内，并且尽可能地延长电池的使用寿命，严格保证动力电池使用安全。范围内，并且尽可能地延长电池的使用寿命，严格保证动力电池使用安全。数据采集数据采集数据显示数据显示状态估计状态估计热管理热管理数据通信数据通信安全管理安全管理能量管理能量管理故障诊断故障诊断动力电池管理系统动力电池管理系统‡‡动力蓄电池管理系统动力蓄电池管理系统(BatteryManagementSystem)(BatteryManagementSystem)BMSBMS一般由一些传感器（用于测量电压、电流和温度等）、一个带微处理器的控制一般由一些传感器（用于测量电压、电流和温度等）、一个带微处理器的控制单元和一些输入单元和一些输入//输出接口组成。输出接口组成。BMSBMS最基本的作用是监控电池的工作状态（电池的最基本的作用是监控电池的工作状态（电池的电压、电流和温度），预测蓄电池的电压、电流和温度），预测蓄电池的SOCSOC和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作和相应的剩余行驶里程，管理电池的工作情况（避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象）以便最情况（避免出现过放电、过充、过热和单体电池之间电压严重不平衡现象）以便最大限度的利用电池的存储能力和循环寿命。大限度的利用电池的存储能力和循环寿命。动力电池管理系统动力电池管理系统非在线分析装置非在线分析装置电池电压、电流和温度电池电压、电流和温度电池诊断电池诊断显示装置显示装置电池电压、电流和温度电池电压、电流和温度预测电池的预测电池的SOCSOC和剩余行驶里程和剩余行驶里程平衡装置平衡装置电池电压和温度电池电压和温度电池组件电压和温度的平衡电池组件电压和温度的平衡热管理系统热管理系统电池的温度电池的温度温度控制温度控制电机功率转换器电机功率转换器电池电压、电流和温度电池电压、电流和温度避免深放避免深放充电器充电器电池电压、电流和温度电池电压、电流和温度防止过充防止过充执行器件执行器件传感器输入的信号传感器输入的信号任务任务‡‡动力蓄电池管理系统动力蓄电池管理系统(BatteryManagementSystem)(BatteryManagementSystem)动力电池管理系统动力电池管理系统‡‡动力蓄电池管理系统动力蓄电池管理系统(BatteryManagementSystem)(BatteryManagementSystem)动力电池管理系统一方案动力电池管理系统一方案11动力电池管理系统一方案动力电池管理系统一方案22动力电池管理系统一方案动力电池管理系统一方案33电池成组使用突出问题电池成组使用突出问题†1.安全性◆电器及主电路的安全、连接、高压不接地、高绝缘、防静电等◆电池安全：外壳、绝缘、接头等◆充电、放电运行安全，过充过放、短路等◆电池充电发热、热失控◆碰撞安全，要通过国家制定的标准试验，包括跌落、针刺和穿孔等电池成组使用突出问题电池成组使用突出问题†2.不一致性◆电池组中单体容量、电压、内阻、自放电的差别¾¾容量不一致：使用条件相同，充放电深度，充放电率不同容量不一致：使用条件相同，充放电深度，充放电率不同¾¾电阻不一致：内阻能耗、电池温度变化不同电阻不一致：内阻能耗、电池温度变化不同¾¾电压不一致：电池间互充电，损耗能量电压不一致：电池间互充电，损耗能量‡‡动力蓄电池的成组应用动力蓄电池的成组应用串并联组合导致动力电池组单体间的一致性问题。串并联组合导致动力电池组单体间的一致性问题。电池成组使用突出问题电池成组使用突出问题†3.寿命◆电动车要求锂电池组：600－1000次（80％DOD)3年◆电池组的寿命同样取决于性能最差的单体电池，由其容量、内阻、自放电、充放电压平台、电池表面温升等因素决定。电池成组使用突出问题电池成组使用突出问题成组使用需解决的关键技术成组使用需解决的关键技术†1.电池组分选技术电池组构成时需要进行参数测试和分档筛选，把性能一致的电池组合在一起，提高一致性，通常采用方法有：‹容量法‹内阻与容量法‹特性曲线法‹数据融合法成组使用需解决的关键技术成组使用需解决的关键技术†2.安全充电技术◆充电方法◊恒流定压◊多段恒流定压◊适应控制算法◊模糊或专家控制算法◆充电结束判断标准◊温度梯度◊电压和电流◊电量†2.安全充电技术◆电池通风冷却◆电池组均衡，包括电压、容量均衡，有多种均衡方法电阻旁路电容或电感旁路DC/DC开关成组使用需解决的关键技术成组使用需解决的关键技术†3.电池组建模－性能模型成组使用需解决的关键技术成组使用需解决的关键技术ocUoRLULI+−pIpCbCoRLULI+−bIeCcdReReIbCpRRC模型电路结构PNGV模型电路结构ocURLULI+−ocUoRLULI+−pIpCpRRint模型Thrvenin模型电路结构†电化学模型◆Peukert方程：niITK=(1/(1))LcooUURIKSOC=−−−LcooUURIKSOC=−⋅−⋅ln()LcooUURIKSOC=−⋅+ln()ln(1)LcooijUURIKSOCKSOC=−⋅++−1234/ln()ln(1)LcooUURIKSOCKSOCKSOCKSOC=−⋅−−++−†神经网络模型电化学模型电化学模型†4.电池组SOC估计成组使用需解决的关键技术成组使用需解决的关键技术主要方法◆放电试验法◆开路电压法◆内阻法◆负载电压法◆安时计量法‹神经网络法‹卡尔曼滤波法„„动力蓄电池动力蓄电池SOCSOC估计－理论计算法估计－理论计算法%100×=trCCSOCCCrr和和CCtt分别表示蓄电池在计算时刻的剩余容分别表示蓄电池在计算时刻的剩余容量和总容量量和总容量,,CCrr受放电率或放电电流的影响很受放电率或放电电流的影响很大大..%100×=tIrIICCSOC„„PeukertPeukert方程，电池的可用方程，电池的可用容量与放电电流存在：容量与放电电流存在：IInnTTii=K=KKK为常数，表示电池的可用为常数，表示电池的可用容量。容量。则：则：11−−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛Δ−=nksskkkIICtISOCSOC电池组电池组SOCSOC估计估计„„动力蓄电池动力蓄电池SOCSOC估计－开路电压法估计－开路电压法只适用于只适用于OCVOCV随随SOCSOC变化明显的蓄电池变化明显的蓄电池对于测试稳定状态下的对于测试稳定状态下的SOCSOC有很高的精度，主有很高的精度，主要缺点在于蓄电池在充电或放电之后，要缺点在于蓄电池在充电或放电之后，OCVOCV需需要很长的时间才能稳定（一般是要很长的时间才能稳定（一般是12h12h））电池组电池组SOCSOC估计估计„„动力蓄电池动力蓄电池SOCSOC估计－安时计量法估计－安时计量法∫−=tNIdtCSOCSOC001η初始初始SOCSO