新能源汽車電池實驗技術及均衡電路設計

摘要：世界各地面臨著能源緊缺、環(huán)境惡化的處境，越來越多的消費者開始考慮擁有更加節(jié)能的汽車，這使得純電動汽車的研究受到格外關注。采用先進的電池管理技術，可以對電池（組）進行實時監(jiān)控，從而有效地控制電池（組）的全過程，確保電池（組）的可靠性，達到更好的節(jié)能目的。因此，對磷酸鐵鋰動力電池的管理和SOC的估算方法進行深入的研究。

關鍵詞：新能源；汽車電池；實驗技術

中圖分類號：U467? 收稿日期：2023-03-30

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.027

1 磷酸鐵鋰電池SOC估算方法

1.1 磷酸鐵鋰電池

1.1.1 磷酸鐵鋰電池的原理

LiFePO4電池由多個部件組成，包括正極、負極、電解液、隔離層、正極引線、負極引線、中心端子、絕緣裝置、安全閥、密封圈、電池殼等，它們的結構、材料、工藝以及使用方法都會對電池的性能產生重要的影響。

LiFePO₄電池采用了一種獨特的內部化學反應，以實現(xiàn)儲存和釋放電能的功能，其內部結構如圖1所示，其理想的電極由一層厚度介于10～25 ?m之間的鋁板組成，表面覆蓋著一層活性物質，總厚度約為180 ?m。在電池的正極上，采用了一種特殊的功能性聚合物隔膜，其厚度介于10～25 ?m之間，由微孔PE或聚苯乙烯構成，而負極則采用了一層厚度介于10～20 ?m的碳材料，以確保其穩(wěn)定性和可靠性［1］。通常來說，這種活性物質層的厚度可達到200 ?m。

當磷酸鐵鋰電池進行充電時，電子將從電池的正極穿越，進入電池的負極，從而使鋰離子從電池的正極析出。隨著電池的運行，鋰離子將穿越電池的負極，并與電池內部的電解質發(fā)生反應，從而產生LiC₆。隨著LiFePO₄電池中鋰離子的數(shù)量增加，其可用于充放電的功率也會相應增加，其中的化學反應機制見圖1。

1.1.2 VRLA電池的原理與特性

VRLA電池，也稱為閥控鉛酸蓄電池，源自1970年，它利用AGM吸液玻璃纖維板技術，實現(xiàn)了高效、安全、穩(wěn)定的電池供應。閥控式鉛酸蓄電池具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠的操作特點，它的負極沒有因為充電而產生氫氣，因此在長時間的使用中，其失水率非常低，無須經常添加酸或者添加水來保持其穩(wěn)定［2］。此外，VRLA的完整密封也保證了它的安全，因此深得人們的喜愛。VRLA電池組已經被廣泛地應用到各個領域，包括汽車、通訊、IT和太陽能。它們的特點是：充電速度快，內部阻力低，不易受到環(huán)境因素的影響，而且容易獲得更好的性價比和更高的效率。此外，它們的溫度調節(jié)方式更為簡單，因此在實際中非常流行。

1.2 電池荷電狀態(tài)（SOC）預測

為了準確估算動力電池SOC，必須明確它的定義。根據(jù)目前的研究，通常認為，在特定的溫度條件下，當電池無法再吸收能量時，它的SOC應該被設置為100%。當流量超過SOC所能承受的最大值時，SOC將被調整至0。然而，SOC的精確度取決于多種因素，包括傳輸速率、電池SOH、溫度以及電池電壓等，而這些因素都可能對SOC的精確性產生重大影響，因此，在線計算SOC可能會比較困難。LiFePO4電池在充滿電的情況下，SOC的值通常被假設為0。如果將其轉換為較低的電流，它仍然會釋放一些電流。此外，如果將電池的電量從70%提高到80%，那么它的SOC估計值將在20%～30%之間。當電池的電壓升至較高的倍率時，它的電流量將會急劇減少，而SOC的恢復也將受到多種不可逆因素的影響，例如板材的硫化程度、腐蝕程度、活性成分的含量等，這些因素都會對SOC的恢復產生重要的影響。由于多種原因，電池的能力損失通常是不可逆轉的。

根據(jù)上述情況，SOC的確定通常采用一種比較的方式，即將電池的剩余容量與其所能提供的總容量之比作為衡量標準：

式中的Qt表示恒流放電所產生的電流，而Qc則表示電池組的剩余電流，雖然它的概念并非十分適用，尤其當放電電流發(fā)生改變時，其對應的標準電池的實際使用壽命也將隨之改變。隨著SOC的不斷發(fā)展，它的預測難度也在不斷提高，從而影響到它的技術性能。因此，本文提供一種新的方法來解決SOC的模型，該模型可以根據(jù)不同的電壓情況來確定SOC的狀態(tài)。

SOC的標稱值可以通過測量其容量來獲得，但它的動態(tài)性則取決于其受到的外界環(huán)境影響，包括電流、溫度以及其他可能的影響，這些影響可以通過調整補償參數(shù)來實現(xiàn)，具體可參考下式：

2 電池組均衡電路研究分析與設計

2.1 均衡電路原理

采用圖2所示的拓撲結構，可以實現(xiàn)電磁能量的有效轉換，從而實現(xiàn)整個電池組的平衡循環(huán)。

圖2展示的電池組的平衡系統(tǒng)，其基本原理是：利用光耦柵極及其相應的信號檢測電路，來監(jiān)測每一塊電池的電壓。隨后，DSP芯片將這些數(shù)據(jù)轉換為平衡的模式，并根據(jù)平衡的模式計算出MOSFET的PWM值，從而實現(xiàn)平穩(wěn)的調速。采用PWM技術，電池之間的電量得到了有效的傳遞。另外，還可利用DSP的PC和CAN總線，將它們連接到BMS和其他電力系統(tǒng)。

2.2 均衡電路參數(shù)設計

本文將探究如何實現(xiàn)電池的平衡循環(huán)，也將探究如何通過使用MOSFET來實現(xiàn)這一目標。為了實現(xiàn)這一目標，將考慮使用合適的MOSFET，并確定合理的MOSFET的使用順序。通過使用單片機來收集信息，并且結合動力電池的性能特點，以及對于變壓器的繞線技術、磁芯材質的選擇，可以更好地滿足系統(tǒng)的運行需求。

本文旨在探討四節(jié)串聯(lián)鋰電池組的均衡電路，并給出相關參數(shù)，如表1所示。

2.2.1 均衡開關

通過開關的連續(xù)切換，可以有效地傳輸能量，而且這種功率平衡可以確保主電路和副電路的最大電流。因此，在進行仿真電路設計時，必須充分考慮開關的傳輸速度、耐電壓、電流以及其他相關參數(shù)，以確保模擬結果的準確性。改變電路可能會對電子系統(tǒng)產生重大影響。

本文采用ST系列STripFETⅡ的N溝道MOSFET。其器件型號為STB75NF7525，具有低直流電壓、低功耗、高直流電流，可靠的工作溫度在-55～175 ℃之間，具有高電阻特性，顯示了用于測試特定功能的測試電路。該電路的柵極信號由模擬特殊驅動信號的發(fā)生器產生。

STB75NF75的開路電壓設置為3 V，驅動信號的最大電壓設置為10 V。同時，開關信號的工作頻率設置為25 kHz，以抑制人耳感知到的噪聲。另外，由于N溝道MOS管額定電流更大，電阻更高，所以我們選擇STB75NF75作為主閥的替換管，以保證其可靠性和良好的工作。

2.2.2 采集及控制

AD轉換器被用來收集各種參數(shù)，它能夠把復雜的模擬信號變換成簡潔的數(shù)字，從而使得單片機成為均衡電路的關鍵部分。在這一系統(tǒng)的運作過程中，每一塊微型計算機都會持續(xù)地進行數(shù)據(jù)的輸入、校準、調整，從而達到精確的平衡狀態(tài)。

a.為了確保測量的準確性，輸入必須穩(wěn)定，并具備電壓保護功能。

b.控制輸出要穩(wěn)定，開關能及時通斷，抗干擾能力強，防止誤操作。電池在工作時輸出功率和電流都很大，所以外圍電路元器件除了自身發(fā)熱外，也會散發(fā)一定的熱量。檢測電池的實時工作溫度，需要檢測每節(jié)電池的溫度。由于需要采集的數(shù)據(jù)量較大，因此選擇了與IIC總線通信的集成溫度單元網(wǎng)絡。溫度指示傳感器安裝在電池中需要檢測的位置，所有傳感器安裝在單片機的IIC總線上。

本文中的STM32F103VB控制器除了使用基于總線的溫度傳感器進行識別外，還內置了溫度傳感器?？刂破鞯臏囟瓤梢院苋菀椎貦z測到，因此當環(huán)境溫度和控制面板溫度異常時，會提前關閉平衡電路的控制，從而可提高電路的可靠性。采取安時法評估剩余容量時，SOC的時序變化會導致檢測精度的下降，因此，在這一評估過程中，需要精確地測量電流，從而減少可能存在的偏差。然而，采取其他評價技術，如采集實時信息，可能會比安時法的精度還要低。通過采用LEM的LTS6-NP傳感器，能夠實現(xiàn)對汽車電池管理系統(tǒng)的準確測量，而不需要依賴傳統(tǒng)的精確測量技術，從而實現(xiàn)更加準確的測量結果。此外，霍爾測量法也是一種有效的測量技術，它能夠有效地提升測量的準確性。采用單電壓技術，能夠輕松地對單個鋰離子電池的電量進行監(jiān)控，從而大大減少安裝及后期保養(yǎng)的工作量。

2.2.3 變壓器設計

在平衡電路中，變壓器被廣泛應用，它們不僅可以存儲和傳輸能量，還可以隔離和限制感應電流，并且具有良好的穩(wěn)定性。在設計變壓器時，必須充分考慮磁芯尺寸、電感、氣隙效應、主變壓器的數(shù)量以及鐵芯內部的交流和直流分量之間的相互影響。如果將變壓器的輸出功率調整至5 V×2 A=10 W，則變壓器的次級效率將提高至85%，而輸入功率則可以降低至11.76 W。

a.根據(jù)變壓器的功率要求，應當精確地選擇合適的磁芯尺寸，以確保其能夠滿足電源管理的需求。磁容量的大小取決于材料、規(guī)格等因素，因此，應當根據(jù)實際情況進行精確的選擇。

b.在計算主回路中MOSFET開關的完成時間時，當它關閉時，電流線性增加，而當它打開時，它必須保持打開足夠長的時間以釋放核心中的能量。因此，在25 kHz的頻率下，開關的周期時間應為40 [μ]s。為了保證電路的穩(wěn)定性，在一個電路中，必須將變壓器原、副邊的電流值恢復到原來的水平，以免因為能量太大而出現(xiàn)問題。

3 結語

本文經過深入研究，確定了平衡點，并對電池電量做出了合理的評估。此外，我們還對單體電池SOC的過程進行了分析，提出了一種基于車輛行駛復雜度和電池平衡的SOC估算算法，以滿足不同的需求。這種方法具有廣泛的適用性，收斂性強，算法復雜度低。然而，由于它的研究基礎是對電池的短期工作狀態(tài)進行線性分析，而實際情況是高度非線性的，因此在實際應用中需要注意適用條件。

參考文獻：

[1]劉錦絹，劉賢興，孫金虎，等新能源汽車用動力電池管理系統(tǒng)設計[J]電源技術，2013，37（6）：966-968.

[2]周娟英，趙建有，王露峰，等新能源車用電池負極材料的開發(fā)與性能[J]實驗室研究與探索，2020，39（7）：48-52.

作者簡介：

王朝江，男，1986年生，助理實驗師、高級技師，研究方向為電氣工程及其自動化。