動(dòng)力鋰電池充放電的保護(hù)電路研究

王澤平，李兵（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

動(dòng)力鋰電池充放電的保護(hù)電路研究

王澤平，李兵
（安徽安凱汽車股份有限公司，合肥230051）

采用在動(dòng)力鋰電池箱體內(nèi)的電池模塊間串聯(lián)一個(gè)繼電器和電池箱的正、負(fù)極間串聯(lián)一個(gè)繼電器，通過(guò)電池管理系統(tǒng)控制兩個(gè)繼電器的通斷來(lái)控制電池模塊的充放電。結(jié)果表明，該方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池充放電的均衡性，能夠較有效地控制動(dòng)力鋰電池的過(guò)充和過(guò)放。

動(dòng)力鋰電池；充放電；保護(hù)電路；繼電器；電動(dòng)客車

鋰離子動(dòng)力電池具有工作電壓高、比能量大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，在電動(dòng)汽車中被廣泛應(yīng)用［1-5］。但該類電池耐過(guò)充電和過(guò)放電性能不好，如電池的電解液充電到4.2 V以上電解液就會(huì)分解，使電池產(chǎn)生膨脹；放電到2.0 V以下若再放電，就可能造成電池過(guò)放，使電池出現(xiàn)零電壓而不能恢復(fù)充放電性能［6］。電池過(guò)充或者過(guò)放都會(huì)造成電池不可逆轉(zhuǎn)損壞，比如容量過(guò)度衰減、壽命降低等，甚至?xí)闺姵禺a(chǎn)生冒煙、起火等危險(xiǎn)［7］。同時(shí)，在充放電時(shí)，鋰電池的電壓和SOC的不均衡性會(huì)逐漸積累［7-9］。因此，對(duì)動(dòng)力鋰電池加充放電保護(hù)電路，是防止該類電池過(guò)充、過(guò)放和提高使用均衡性的有效方法之一［10］。

本文將一個(gè)繼電器串聯(lián)在電池箱內(nèi)的電池模塊中間，同時(shí)在每一箱體正、負(fù)極間串聯(lián)一個(gè)繼電器的保護(hù)電路，防止直充式純電動(dòng)客車動(dòng)力電池過(guò)充或者過(guò)放現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)研究該方法對(duì)續(xù)駛里程和運(yùn)營(yíng)成本的影響。

1　充放電保護(hù)電路設(shè)計(jì)

目前，純電動(dòng)客車動(dòng)力電池的安裝方式通常采用多個(gè)并聯(lián)的電池模塊安裝在電池箱內(nèi)，然后將多個(gè)電池箱固定在客車電池艙內(nèi)，電池箱之間通過(guò)箱外的正、負(fù)極串聯(lián)［7］。由于純電動(dòng)客車使用的動(dòng)力電池有相當(dāng)一部分充電方式采用直充式，也就是將車輛上所有的電池模塊串聯(lián)在一起充電［11］，同時(shí)由于同一輛車中的不同電池模塊在容量和內(nèi)阻等方面都存在差別。因此，隨著充放電次數(shù)的增加，不同電池模塊在電壓、SOC等方面的不均衡性會(huì)越來(lái)越明顯［9］，導(dǎo)致有些電池模塊會(huì)充不滿且放不盡，而有些電池模塊則會(huì)造成過(guò)充或者過(guò)放。

某款純電動(dòng)城市客車有9個(gè)電池箱，每個(gè)電池箱由20個(gè)電池模塊串聯(lián)，每個(gè)電池模塊是由32個(gè)12.5Ah/3.2 V的磷酸鐵鋰單體電池并聯(lián)而成。因此，每個(gè)電池模塊的額定容量為400 Ah，標(biāo)稱電壓為3.2V；整車電池總額定容量400 Ah，標(biāo)稱電壓為576 V。交流異步電機(jī)的額定功率為100 kW，額定電壓為576 V，最低使用電壓為450V，最高使用電壓為700V。

防止電池過(guò)充或過(guò)放電路設(shè)計(jì)采用在每個(gè)箱內(nèi)第10、11電池模塊之間串聯(lián)一個(gè)EV200繼電器，其額定電流為200A，控制電流為100mA。將20個(gè)電池模塊等分成兩部分，每部分10個(gè)電池模塊都是直接串聯(lián)在一起的，同時(shí)在每一個(gè)電池箱的正、負(fù)極間串聯(lián)一個(gè)EV200繼電器。在正常充、放電時(shí)，串聯(lián)在電池模塊間的繼電器閉合，串聯(lián)在電池箱正、負(fù)極間的繼電器斷開(kāi)，保證該箱電池模塊能夠正常充、放電。在充電時(shí)，當(dāng)某一箱電池模塊充電到最高電壓時(shí)，該電池箱串聯(lián)在電池模塊間的繼電器斷開(kāi)，同時(shí)串聯(lián)在電池箱正、負(fù)極間的繼電器閉合。該箱電池組就停止充電，并且保證了其它電池箱的電池模塊正常充電；當(dāng)最后一箱電池充滿電時(shí)，充電機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。在放電時(shí)，當(dāng)某一箱電池模塊降到最低電壓時(shí)，該箱串聯(lián)在電池模塊間的繼電器斷開(kāi)，同時(shí)串聯(lián)在箱體正、負(fù)極間的繼電器閉合，該箱電池會(huì)停止放電。此時(shí)電機(jī)就會(huì)限制功率并有相關(guān)報(bào)警措施，提醒駕駛員就近充電維護(hù)電池。因此，可以避免發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上電池箱的模塊間繼電器同時(shí)斷開(kāi)的情況，不會(huì)出現(xiàn)電壓降得太低而使電機(jī)不能正常工作。圖1為整車電池箱電路連接原理圖；圖2為電池箱內(nèi)電池模塊以及繼電器連接原理圖。

2　保護(hù)電路效果驗(yàn)證

取6輛上述電動(dòng)車在同一條線路、相同工況下行駛，其中3輛裝有過(guò)充放電保護(hù)電路，另3輛車采用在整車電池回路中串聯(lián)一個(gè)繼電器（通常串聯(lián)在整車高壓配電柜里面）來(lái)控制電池的過(guò)充或者過(guò)放。在無(wú)人職守條件下，采用相同的充電電流對(duì)6輛車的電池進(jìn)行充電，電池模塊充電的最高保護(hù)電壓為3.65 V，放電的最低保護(hù)電壓為2.5 V。當(dāng)出現(xiàn)電池模塊過(guò)充或者過(guò)放時(shí)，立即更換掉損壞的電池，修復(fù)后立即將車輛投入使用，每輛車進(jìn)行60次充、放電循環(huán)；后期放電策略采用在同一條公交線路上載客試運(yùn)營(yíng)3個(gè)月，每天白天運(yùn)營(yíng)，晚上充電。

表1為車輛前60次充放電循環(huán)后再進(jìn)行一次充放電循環(huán)時(shí)整車電池模塊的電壓極差統(tǒng)計(jì)表。從表1中可以看出，加該保護(hù)電路的車輛在充滿電后電池模塊的電壓極差平均值為72mV，放完電后電池模塊的電壓極差平均值為120mV；整車只加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛在充滿電后電池模塊的電壓極差平均值為123mV，放完電后電池模塊的電壓極差平均值為204mV。這是因?yàn)榧颖Ｗo(hù)電路的車輛在充電時(shí)，當(dāng)有一個(gè)電池模塊充電到保護(hù)電壓3.65V時(shí)，串聯(lián)在電池模塊間的繼電器斷開(kāi)，使該箱停止充電，同時(shí)串聯(lián)在電池箱電極上間的繼電器閉合，使其不影響其它電池箱充電，該充電方式貫穿在整個(gè)充電過(guò)程中。當(dāng)最后一箱充滿時(shí)，充電機(jī)自動(dòng)關(guān)閉。在放電時(shí)，當(dāng)有一個(gè)電池模塊放電到保護(hù)電壓2.5V時(shí)，串聯(lián)在電池模塊間的繼電器斷開(kāi)，使該箱停止放電，同時(shí)串聯(lián)在電池箱電極上間的繼電器閉合，使其不影響其它電池箱放電，此時(shí)電機(jī)就會(huì)隨著整車電壓的降低而降功率，同時(shí)相關(guān)報(bào)警系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟，提醒駕駛員就近充電維護(hù)。因此，可以避免發(fā)生兩個(gè)或兩個(gè)以上電池箱的模塊間繼電器同時(shí)斷開(kāi)的情況，而只加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛，充電到整車有一個(gè)電池模塊電壓到3.65 V時(shí)就停止充電，放電到整車有一個(gè)電池模塊電壓到2.5 V時(shí)就停止放電。本文所設(shè)計(jì)的保護(hù)電路能夠保證整車9箱電池中每箱至少都有1個(gè)電池模塊能夠充電到3.65 V；在保證電機(jī)正常工作的前提下，也能夠保證9箱電池中每箱至少都有一個(gè)電池模塊放電到2.5 V。而只加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛只能保證1個(gè)電池模塊能充電到3.65 V和放電到2.5 V。

表1　車輛前60次充放電循環(huán)后電池電壓極差統(tǒng)計(jì)表

車輛在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，電池的過(guò)充或過(guò)放次數(shù)統(tǒng)計(jì)如表2所示。從表2中可以看出，所有加該保護(hù)電路的車輛電池都沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象；而只加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛均出現(xiàn)不同次數(shù)的過(guò)充或過(guò)放現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，該保護(hù)電路能夠較有效地防止動(dòng)力鋰電池的過(guò)充或過(guò)放。

表2　電池過(guò)充或過(guò)放次數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表3為車輛在連續(xù)充放電60次循環(huán)后，試運(yùn)營(yíng)3個(gè)月的平均續(xù)駛里程統(tǒng)計(jì)表。從表3中可以看出，加有該保護(hù)電路的車輛能夠使電池充放電更加均衡，更有效地對(duì)電池實(shí)現(xiàn)滿充或者滿放，從而延長(zhǎng)車輛的續(xù)駛里程；加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛則不具有此功能。因此，續(xù)駛里程較短。

表3　車輛試運(yùn)營(yíng)3個(gè)月的平均續(xù)駛里程統(tǒng)計(jì)表

成本比較：一只EV200繼電器的市場(chǎng)售價(jià)為580元。加了該保護(hù)電路車輛共用了18只繼電器（每箱2只，共9箱），加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛用了1只繼電器，多用的繼電器成本為17×580=9 860元。目前動(dòng)力鋰電池市場(chǎng)售價(jià)為每度電3 000元。假設(shè)每次過(guò)充或過(guò)放只損壞一個(gè)電池模塊，其成本損失為（3.2×400/1 000）×3 000=3 840元。根據(jù)目前車輛和道路等情況對(duì)電耗的影響，大客車每行駛1 km大約需要0.9度電。因此，加該保護(hù)電路車輛比加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛每充一次電平均多行駛7 km，相當(dāng)于多7×0.9=6.3度電。也就是說(shuō)，需要再多加6.3度電的鋰電池，才能達(dá)到續(xù)駛里程的要求。其多出的成本為6.3×3 000=18 900元。因此，加保護(hù)電路的車輛運(yùn)營(yíng)成本比加一個(gè)保護(hù)繼電器的車輛低18 900-9 860=9 040元。若加上過(guò)充或過(guò)放導(dǎo)致電池?fù)p壞的成本，其運(yùn)營(yíng)成本會(huì)更低。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文采用在每個(gè)電池箱內(nèi)部電池模塊間串聯(lián)一個(gè)繼電器和在箱體正、負(fù)極間串聯(lián)一個(gè)繼電器，通過(guò)電池管理系統(tǒng)控制繼電器的通斷，以降低電池在使用過(guò)程中的不均衡性，防止電池模塊過(guò)充或者過(guò)放。結(jié)果表明，該方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)動(dòng)力鋰電池充放電的均衡性，同時(shí)能夠較有效地控制動(dòng)力鋰電池的過(guò)充和過(guò)放，提高電動(dòng)汽車的續(xù)駛里程，降低車輛的運(yùn)營(yíng)成本。然而，該保護(hù)電路只能使電池箱中的一個(gè)電池模塊達(dá)到充電上限電壓或放電下限電壓，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)所有電池模塊的滿充或者滿放。因此，不能充分發(fā)揮動(dòng)力鋰電池的最大效率，此缺點(diǎn)還要在后期的研究中加以改善。

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修改稿日期：2014-12-12

Research on Protection Circuitof Power Lithium Batteries'Charging and Discharging

Wang Zeping，LiBing
（AnhuiAnkaiAutombile Co.，Ltd，Hefei 230051，China）

Through connecting relays between the power lithium batterymodulars in the battery box between the positive and negative of the battery boxes，the author controls the charging and discharging of the batterymodulars. The resultshows that thismethod can balance the charging and discharging and effectively prevent the over charging and dischargingof thepower lithium battery packs.

power lithium battery；chargingand discharging；protection circuit；relay；electric bus

U469.7；U 463.63+3

B

1006-3331（2015）04-0031-03

王澤平（1982-），男，工學(xué)碩士；工程師；主要從事客車設(shè)計(jì)工作。