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        移動(dòng)式充電寶電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        2017-05-30 00:21:44琚潔華張吉盛鐘筱怡袁心怡王婧
        時(shí)代汽車 2017年8期

        琚潔華 張吉盛 鐘筱怡 袁心怡 王婧

        摘要:移動(dòng)式充電寶是一種電動(dòng)汽車的應(yīng)急電源裝置,通過車載方式為行駛途中因?yàn)殡姵啬茉床蛔愕能囕v補(bǔ)充能源。移動(dòng)式充電寶主要由儲(chǔ)能裝置、逆變裝置、充放電控制系統(tǒng)、電源管理系統(tǒng)等部分構(gòu)成。本文設(shè)計(jì)了一種可用于移動(dòng)式充電寶大功率電池組儲(chǔ)能單元管理的系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)電池組的狀態(tài)監(jiān)視、診斷和充電控制。本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)式充電寶電源管理系統(tǒng)集成度高,支持智能診斷和控制,已經(jīng)成功應(yīng)用于車載充電裝置中。通過較長時(shí)間的運(yùn)行測(cè)試,表明所設(shè)計(jì)的電源管理軟件和硬件系統(tǒng)具有良好的技術(shù)性能。

        關(guān)鍵詞:移動(dòng)式充電寶;電源管理;狀態(tài)監(jiān)視

        1引言

        電動(dòng)汽車是一種通過電池、電容等儲(chǔ)能元件為行駛提供動(dòng)力的環(huán)保汽車,排放幾乎為零。電動(dòng)汽車具有良好的環(huán)保特性,得到世界各國政府和企業(yè)大力支持,作為解決能源危機(jī)、溫室效應(yīng)、環(huán)境污染的重要途徑之一。隨著特斯拉電動(dòng)汽車等在近幾年的快速崛起,成熟的、性能良好的、續(xù)航能力強(qiáng)的電動(dòng)汽車得到了極為快速的推廣,與電動(dòng)汽車相關(guān)的產(chǎn)業(yè)鏈也在逐步興起和發(fā)展。在中國,針對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展也提出了一系列促進(jìn)措施和產(chǎn)業(yè)支持政策,通過企業(yè)與政府的密切合作以快速推進(jìn)電動(dòng)車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用。

        為了配合推動(dòng)電動(dòng)汽車的推廣和使用,建立完善的、布局合理的充電基礎(chǔ)設(shè)施也是非常重要的。在我國主要的大中型城市基本上都建立了較為完善的電動(dòng)汽車充電設(shè)施。據(jù)初步統(tǒng)計(jì),全國已建成的充換電站超過了4500座,各種固定充電樁約8萬個(gè),并持續(xù)保持較為快速的增長。國家電網(wǎng)公司、各級(jí)地方政府作為推動(dòng)電動(dòng)汽車發(fā)展和使用的重要推動(dòng)者,先后發(fā)布了一些支持扶持建設(shè)電動(dòng)汽車充換電站的文件和投資計(jì)劃,在主要的城市加速推進(jìn)充換電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè);對(duì)于推動(dòng)我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有非常顯著的效果。以國家電網(wǎng)公司作為主要的牽頭單位,在電動(dòng)汽車充電方面進(jìn)行了一系列的研究和開發(fā),建立了權(quán)威的測(cè)試和認(rèn)證機(jī)構(gòu)。我國目前建立的電力基礎(chǔ)設(shè)施,在技術(shù)性能上已經(jīng)可以保證不同品牌、不同型號(hào)的電動(dòng)汽車與充電設(shè)施之間的對(duì)接,建立了較為統(tǒng)一的充電接口標(biāo)準(zhǔn)。

        針對(duì)電動(dòng)汽車建立的現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施,主要是固定式的,不能靈活移動(dòng)。在電動(dòng)汽車的實(shí)際使用過程中,由于人為疏忽或設(shè)備故障,有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在行駛途中的電動(dòng)汽車因?yàn)殡娔芎谋M而不能繼續(xù)行駛到充/換電點(diǎn)的情況。針對(duì)上述意外情況,研制可自由移動(dòng)式的充電單元為電動(dòng)汽車補(bǔ)充能源是非常有必要的,因此提出了專為電動(dòng)汽車供電的移動(dòng)充電寶的概念。本文在對(duì)移動(dòng)充電寶功能、組成進(jìn)行簡要介紹的基礎(chǔ)上,主要討論移動(dòng)充電寶電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題。介紹了一種電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

        2移動(dòng)式充電寶的組成

        作為專為電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)的移動(dòng)應(yīng)急電源裝置,移動(dòng)式充電寶主要由如下4個(gè)基本部分組成:

        (1)電池組,在移動(dòng)式充電寶中電池組是非常重要的組成部分,是移動(dòng)式充電寶的電能儲(chǔ)存裝置。常見的電能儲(chǔ)存裝置主要由電池和超級(jí)電容兩種,由于電池具有較大的能量密度,制造工藝成熟,成本相對(duì)較低,所以移動(dòng)式充電寶一般都采用電池儲(chǔ)能的方式。電池根據(jù)儲(chǔ)能原理的不同又可以劃分為不同的類型,例如鋰電池具有較高的能量密度、充放電速度,但是具有易燃易爆的特點(diǎn)。其他類型的電池,例如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、鎳電池等分別具有各自不同的優(yōu)點(diǎn),在效率、成本、安全性、使用壽命等方面各自有不同的優(yōu)勢(shì)。為了使移動(dòng)式充電寶能夠儲(chǔ)存較多的電能,具有較強(qiáng)的對(duì)外供能能力,所以一般在移動(dòng)平臺(tái)(車輛)內(nèi)布置大容量的電池組,容量可以達(dá)到幾百到數(shù)千千瓦時(shí)。在電池配置方面,成本控制和安全性往往作為最重要的考慮因素。(2)充電裝置,主要將外部提供的市電轉(zhuǎn)換為直流能并存儲(chǔ)在電池組中。充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于充電時(shí)間、能量轉(zhuǎn)換效率和電池效能的發(fā)揮具有非常重要的作用。(3)逆變裝置,實(shí)現(xiàn)將電池能量轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車充電的交流電(目前階段,大型公交車輛等可以通過直流為車輛充電,充電速度更快,針對(duì)直流充電汽車需要配置直流升壓模塊,DC/DC模塊;但是大部分的汽車仍然以交流充電為主)。電源逆變裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定充電、提高充電寶效率也具有重要的作用。(4)監(jiān)控管理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)移動(dòng)充電寶充發(fā)電過程、內(nèi)部狀態(tài)的監(jiān)視、測(cè)量與控制,同時(shí)支持故障診斷、報(bào)警、計(jì)費(fèi)等管理功能。

        3電池管理系統(tǒng)的功能需求

        電池管理系統(tǒng)是移動(dòng)充電寶監(jiān)控管理系統(tǒng)的重要組成部分。實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的管理,完成電池組充電、放電管理、狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷。電池組是移動(dòng)充電寶核心的儲(chǔ)能元件,對(duì)其管理和控制對(duì)于充電寶的性能具有非常重要的影響。電池管理單元的主要功能包括如下方面:

        3.1均衡充電控制

        充電寶電池組單元由若干電池單元構(gòu)成,是能量儲(chǔ)存的重要元件。為了將能量儲(chǔ)存在電池中,需要將市電轉(zhuǎn)換為合適電壓水平的直流電,然后通過控制電路根據(jù)電池的充電特性,逐步將能量轉(zhuǎn)換為電池內(nèi)部的化學(xué)能。由于電池組有數(shù)量較多的電池單元構(gòu)成,在參數(shù)和特性等方面分別存在一定的差異,在電能逐步轉(zhuǎn)換為化學(xué)能的過程中,針對(duì)電池單元不同點(diǎn)特性度其充電放電過程進(jìn)行必要控制,對(duì)發(fā)揮電池的效能,縮短充電時(shí)間,提高充電效率具有非常重要的作用。

        3.2狀態(tài)監(jiān)視

        在充電、放電和存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)雀鱾€(gè)階段,對(duì)電池組的狀態(tài)監(jiān)視非常重要,電池組的主要參數(shù)包括充/放電電流,電池電壓,溫度,壓力和絕緣狀態(tài)等。

        3.3故障診斷

        以連續(xù)監(jiān)測(cè)的電池和電池組的充電/放電電壓、電流、溫度、壓力、泄漏電流等參數(shù)為基礎(chǔ),對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行綜合評(píng)估,預(yù)先發(fā)現(xiàn)電池組內(nèi)部的潛在缺陷,對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)和潛在的供電能力進(jìn)行評(píng)價(jià)。

        4均衡充電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        4.1電池組間不均衡的原因及其影響

        電池組間不均衡的根本原因是由于電池組基本單元在參數(shù)和特性方面不一致導(dǎo)致的。對(duì)于充電、放電過程,對(duì)電池組儲(chǔ)能能力和對(duì)外的供能能力具有非常重要的影響。電池組間不均衡主要包括容量不均衡、電阻不均衡、電壓不均衡。

        在電池組內(nèi)部,單體電池容量、端電壓和內(nèi)阻在制造和使用過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)不嚴(yán)格一致的情況,從而形成了電池組內(nèi)部的不均衡。在充電過程中,端電壓較高或容量較小的電池單元將被提前充滿,其余的電池單元因?yàn)槎穗妷狠^低或容量較大而沒有完全充滿需要繼續(xù)充電。如果沒有適當(dāng)?shù)木獯胧瑢⑹谷萘枯^小或初始電壓較高電池長時(shí)間過充電,或在某些電池單元沒有被充滿之前提前結(jié)束充電,這將嚴(yán)重影響電池組的能量效率和使用壽命。

        當(dāng)一組電池單元串聯(lián)使用時(shí)(由于單體電池單元電壓較低,所以串聯(lián)使用時(shí)非常有必要的),當(dāng)流過電池單元的電流相同時(shí),內(nèi)阻大的電池將產(chǎn)生較大的能量損失,發(fā)熱量大溫度上升較快。如果不能使電池組具備良好的散熱條件,則電池單元的熱量不能及時(shí)耗散,電池組溫度將升高,不但會(huì)顯著降低電池的容量,而且會(huì)出現(xiàn)外殼變形、爆炸等非常嚴(yán)重的后果。

        電池單元電壓不均衡也是對(duì)電池組整體性能影響較大的因素之一,可能導(dǎo)致并聯(lián)的電池單元之間的相互充電;當(dāng)并聯(lián)組中的一個(gè)單元電壓較低時(shí),其它單元給低電壓的單元充電。電池組件的內(nèi)部能量流動(dòng)導(dǎo)致電池容量的急劇降低,加劇電池組的不均衡,產(chǎn)生發(fā)熱,使電池組的整體性能不能達(dá)到預(yù)期的效果。

        4.2均衡充電控制電路設(shè)計(jì)

        均衡充電控制電路主要包含整流電路,直流電壓變換回路、電流均衡控制回路和狀態(tài)監(jiān)測(cè)回路等部分。

        均衡充電控制電路的電源輸入保護(hù)和整流回路如圖2所示。在均衡充電的電源輸入回路中,設(shè)置了防雷保護(hù)、過壓、浪涌和輸出短路等保護(hù)措施。

        均衡充電控制電路的直流電壓變換回路如圖3所示。實(shí)現(xiàn)將輸入的電壓轉(zhuǎn)換為所需要的直流電源為外部供電。直流電壓變換回路設(shè)計(jì)為buck降壓變換器,開關(guān)S1由DSP控制單元產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)控制通斷,以恒定的開關(guān)頻率工作,從而在輸出端得到穩(wěn)定的直流電壓,通過調(diào)節(jié)S1的占空比可得到需要的充電電壓或電流。DSP控制單元一方面測(cè)量輸出端的電壓和電流,同時(shí)與設(shè)定值比較,閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出直流電壓和電流水平。

        電流均衡控制電路如圖4所示??梢宰詣?dòng)識(shí)別電池的個(gè)體差異,自適應(yīng)調(diào)整充電電流。均衡充電系統(tǒng)的主電路中主要元器件有:電感、電容、功率開關(guān)管(IGBT)及二極管,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)成組串聯(lián)的電池均衡充電,當(dāng)與某個(gè)電池單元對(duì)應(yīng)的功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),電池單元被旁路,充電電流不流經(jīng)對(duì)應(yīng)的電池單元,否則將對(duì)電池單元充電。系統(tǒng)中設(shè)置的二極管起到續(xù)流作用,可以避免在回路中形成比較高的反向電壓影響損壞電池和充電器件。在實(shí)際使用時(shí),可用PWM控制信號(hào)對(duì)功率開關(guān)管的通斷進(jìn)行控制,通過占空比調(diào)節(jié)各個(gè)電池單元充電的快慢,最終維持電池的SOC值之間只存在非常小的差異。

        針對(duì)單個(gè)電池組單元的狀態(tài)監(jiān)測(cè)電路如圖5所示,包括溫度監(jiān)測(cè)、單體電壓監(jiān)測(cè)等功能。

        5均衡充電控制算法設(shè)計(jì)

        電池組及其所屬的單體電池單元參數(shù)具有非線性、時(shí)變性的特點(diǎn),無法準(zhǔn)確地建立電池單元的數(shù)學(xué)模型。為了實(shí)現(xiàn)電池組的均衡充電,本文采用了一種新的自適應(yīng)模糊充電控制策略,對(duì)充電系統(tǒng)進(jìn)行模糊PWM控制,通過對(duì)占空比的連續(xù)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)電池單元的均衡充電。

        為了設(shè)計(jì)一種可行的均衡充電控制策略,有必要對(duì)影響電池充電過程的主要因素進(jìn)行分析,均衡控制的目標(biāo)是使充電過程中單體電池電壓差異逐步降低,使端電壓較低的電池進(jìn)行優(yōu)先充電,使SOC值較高的電池單元降低其上升速度。所以必須對(duì)電池組內(nèi)每個(gè)單體電池的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè),單體電池電壓對(duì)于實(shí)現(xiàn)均衡控制非常重要,也是控制的主要依據(jù)。

        本文使用了對(duì)單體電池的充電控制采用了一種模糊PI控制器的策略。

        控制器的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示??刂撇呗砸源?lián)電池組單元的平均電壓作為參考輸入,以實(shí)際測(cè)量的單體電池端電壓作為主要控制參數(shù),PI控制器以端電壓和組內(nèi)平均電壓作為輸入,輸出控制量(PWM信號(hào)的占空比)調(diào)節(jié)充電過程。

        在單體電池的各充電階段,個(gè)體參數(shù)差異對(duì)最佳的充電策略有一定要求,如果采用固定的PI控制策略較難適應(yīng)這種精細(xì)化的差異。

        為了自動(dòng)識(shí)別充電過程中單體電池的參數(shù)變化,調(diào)節(jié)充電過程,本文采用了模糊自適應(yīng)參數(shù)整定的方法。模糊自適應(yīng)整定策略主要考慮了電壓差、電壓差變化率和單體電池溫度3個(gè)主要參數(shù)。

        取電壓差參數(shù)和電壓差變化率的模糊論域?yàn)閇-3,3]分別對(duì)應(yīng)從電壓差負(fù)向最大到正向最大,其隸屬函數(shù)定義如圖7所示。

        輸入量E的模糊集合為{NB(負(fù)大),NM(負(fù)中),NS(負(fù)?。?,

        Z(零),PS(正?。琍M(正中),PB(正大)}。

        輸出量控制量為PI控制參數(shù),變化區(qū)間為[0,1],其隸屬函數(shù)的定義如圖8所示。變化參數(shù)的模糊集合為:{Z(零),PL(正較?。?,PS(正?。琍M(正中),PB(正較大)}。

        通過對(duì)對(duì)電池充電過程的監(jiān)視以及對(duì)數(shù)據(jù)的深入分析和總結(jié),根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定了針對(duì)電池組充電器PI參數(shù)的模糊控制規(guī)則如表1所示。

        在模糊控制規(guī)則中沒有考慮到單體電池溫度變化對(duì)充電過程的要求;根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于電池溫度偏高的單體電池有必要降低充電速度,對(duì)于電池溫度相對(duì)較低的單體電池有必要提高充電速度。

        在實(shí)際使用過程中,首先根據(jù)監(jiān)測(cè)的電壓差異和電壓差變化率,在其論域內(nèi)模糊化,然后根據(jù)規(guī)則通過模糊運(yùn)算的方法確定控制器的P,I參數(shù)。考慮到溫度對(duì)控制器參數(shù)的影響,實(shí)際輸出的P控制參數(shù)在模糊控制的輸出參數(shù)上做適當(dāng)修正,具體的經(jīng)驗(yàn)公式如下

        上式中,P為實(shí)際輸出的P控制參數(shù),為模糊推理獲取的控制參數(shù),△t為單體電池和組內(nèi)電池單元平均溫度之差。k為溫度修正系數(shù),與電池種類有一定關(guān)系。

        6性能驗(yàn)證和應(yīng)用

        為了驗(yàn)證本文提出的硬件方案和控制策略有效性,根據(jù)本文方案研制了樣機(jī)系統(tǒng),并和常規(guī)的恒流充電控制方案進(jìn)行比較。

        針對(duì)典型的參數(shù)不一致的情況,加工了一組比較典型的參數(shù)非均衡電池組以驗(yàn)證充/放電控制方案效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)采用恒流充電方案時(shí),由于初始剩余容量不同,所以單體電池達(dá)到充電電壓上限的時(shí)間也不一致,剩余容量越大的電池需要的充電時(shí)間越長;剩余容量越小的電池需要的充電時(shí)間越短,最先被充滿。在大部分單體電池(80%)充滿電時(shí)還沒有充滿時(shí),約8%的電池單元已經(jīng)達(dá)到其上限電壓。當(dāng)大部分電池單元(80%)都已經(jīng)充滿時(shí),約有10%的電池單元SOC小于額定值的85%。

        在采用了本文所述的模糊均衡充電控制策略后,電池組內(nèi)各單體電池SOC值的上升速度可以被動(dòng)態(tài)控制。充電過程中,使SOC值較低的單體電池相對(duì)于SOC值較高的其他單體電池被優(yōu)先充電,使初始SOC值比較大的單體降低SOC的上升速度,使能量優(yōu)先補(bǔ)充到初始SOC值較低的單體電池單元上,降低各個(gè)單體電池之間的SOC差異。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,可以表明本文提出的方案使電池組整體的儲(chǔ)能容量上升了8.5%,電池單元之間端電壓差異小于0.1V,充電過程中的整體發(fā)熱量降低5.5攝氏度。

        采用本文所提出的均衡充電控制策略,對(duì)于存在顯著個(gè)體差異的電池組特別有利,即使在開始充電階段各個(gè)單體電池之間有非常顯著的不均衡,通過動(dòng)態(tài)識(shí)別SOC狀態(tài)并調(diào)整各個(gè)單體電池的充電過程,最終可以使單體電池電壓差異逐漸縮小,在充電完成時(shí)達(dá)到較好的均衡效果,從而提高電池組的整體性能和循環(huán)使用壽命。

        7結(jié)語

        移動(dòng)式充電寶是一種可自由移動(dòng)的電動(dòng)汽車的應(yīng)急電源裝置,電池儲(chǔ)能單元是移動(dòng)式充電寶的重要組成部分。由于制作工藝、工作溫度、老化等的方面的影響,電池組內(nèi)單體電池在容量、內(nèi)阻、端電壓等方面不一致。這種不一致性顯著影響了動(dòng)力電池組的壽命、效率和整體容量。

        本文針對(duì)移動(dòng)式充電寶提出了一種充電控制回路的設(shè)計(jì)方案和配套的控制策略,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串聯(lián)動(dòng)力電池組充電過程的均衡控制,使電池組內(nèi)的電池單元充分地發(fā)揮其儲(chǔ)能潛能,延長使用壽命;所提出的方案顯著改善了移動(dòng)式充電寶的儲(chǔ)能效果和能量轉(zhuǎn)換效率,具有推廣應(yīng)用的前景。

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