曾契

摘 要：在綜述磷酸鐵鋰鋰離子電池特性的基礎上，研究了該型動力電池的電壓回彈以及滯回特性，建立了磷酸鐵鋰電池的仿真計算模型，并使用此模型對荷電狀態(tài)（State of Charge，? SoC）進行了估算。在此基礎上，進一步提出了一種單電感電池荷電狀態(tài)均衡管理方案，獲得了較好的效果。

關鍵詞：動力電池;荷電狀態(tài);均衡管理;應用研究

前言

目前，以電能為動力的電動汽車的廣泛應用對環(huán)境和生態(tài)產(chǎn)生了積極的效果，取得了較大的社會效益。但電動汽車在日常使用過程中逐步暴露出了大量的問題，其中以動力電池管理系統(tǒng)方面的問題尤為嚴重。基于此，在充分研究動力電池的滯回特性以及回彈特性的基礎上，使用相關仿真軟件對磷酸鐵鋰電池進行建模研究，對電池的荷電狀態(tài)SoC進行仿真估算，并在此基礎上設計電池的荷電均衡管理方案，以實現(xiàn)動力電池的有效管理與高效應用，從而取得更高效利用動力電池的有益目標。

一、磷酸鐵鋰電池的概述

磷酸鐵鋰鋰離子電池簡稱磷酸鐵鋰電池，是一種在電動汽車上普遍使用的鋰離子電池。鋰離子動力電池是一種新型高能電池，它具有工作電壓高（能達到3.6V）、重量輕、體積小、比能量高（可達150W·h/Kg）、使用壽命長（循環(huán)充電次數(shù)可達3000次）、工作范圍寬（可在-40℃～+55℃工作）、污染小、無記憶等優(yōu)點。

鋰離子動力電池一般采用石墨等作為負極，磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、鈦酸鋰等作為正極，以含氟鋰鹽的有機溶液為電解液的一種電池。鋰離子動力電池可以依據(jù)其正極所用材料的不同，分成沽酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池等，其中磷酸鐵鋰電池（LiFePO₄）因其性價比最高被廣泛使用。磷酸鐵鋰電池的充放電反應如下：

LiFePO₄電池的額定電壓為3.2V，終端充電電壓為3.6V，終端放電電壓為2.0V。磷酸鐵鋰電池作為新型動力鋰電池，因其優(yōu)點眾多，性價比高，對它的開發(fā)、研究也在不斷的深入，使它成為了未來最有競爭力的動力電池之一。

二、磷酸鐵鋰電池的計算模型

（一）電壓滯回特性和回彈特性

鋰離子電池是一種具有電壓的滯回和回彈特性高能電池。是由于鋰電池采用了非水溶劑作為電解液，它的電導率要遠遠低于使用水溶劑的電解液，較低的電導率使得鋰離子電池在以較大電流放電時，非水溶劑電解液無法及時補充足夠的鋰離子，因此導致電池電壓下降，當電池中的電流為零時，也就是電池停止放電時，鋰離子會發(fā)生一系列變化，從而重新讓電池回至平衡狀態(tài)，這種現(xiàn)象就叫鋰電池回彈電壓特性。

圖1所示帶有電壓回彈、滯回特性的等效電路模型能準確模擬磷酸鐵鋰電池的特性。

如圖，EMF是一個受控電壓源，它由電池的SoC控制，另一個受控電壓源Vh受電池的SoC和充放電狀態(tài)（即充或放電滯回）同時控制。

在充分研究動力電池的滯回特性以及回彈特性的基礎上，使用計算和仿真功能都非常強大matlab/simulink軟件對磷酸鐵鋰電池搭建了的模型，并進行了分析計算。

（二）磷酸鐵鋰電池模型的建立

參考前面建立的磷酸鐵鋰電池電壓模型，由于電池荷電狀態(tài)SoC與滯回電壓Vh和電池的平衡電動勢EMF存在非線性關系，經(jīng)過分析得出下面所示的數(shù)學關系。在下面等效的數(shù)學關系中，EMF、Vh和RΩ分別表示平衡電動勢、滯回電壓和電池的內阻，電池的回彈特性使用Rs、CS、Rm、Cm、Rl、Cl組成的三階RC網(wǎng)絡表示。該磷酸鐵鋰電池仿真模型除了可以實時的計算出荷電狀態(tài)SoC外，還可以計算出電池的開路電壓OCV和工作電壓VB。

等效電壓源部分的數(shù)學關系如公式（1）所示。

（1）

式中，Qrated表示動力電池的額定容量。當滯回電壓Vh為正時代表電池在充電，當Vh為負是代表電池在放電。

等效阻抗部分的數(shù)學關系如公式（2）所示。

（2）

根據(jù)磷酸鐵鋰動力電池的模型及模型中電路的數(shù)學關系，在matlab/simulink 軟件中搭建了仿真計算模型，如圖2所示。

三、磷酸鐵鋰電池荷電狀態(tài)的估算

（一）動力電池荷電狀態(tài)的定義

當電池在使用一段時間或者長時間擱置不用后電池的電荷容量和能量會下降，這時電池所在的狀態(tài)稱為電池荷電狀態(tài)。從不同的角度去定義荷電狀態(tài)SoC，那么其估算策略和計算公式也就有所不同，有的研究者從電荷容量角度有的從能量角度去定義。本文認為以電荷容量來定義電池荷電狀態(tài)較為準確，即在一定條件下，電池剩余電荷容量與其額定電荷容量的比值，見公式（3）所示。

（3）

式中，Qrated和Qremain分別表示電池的額定電荷容量和剩余的電荷容量，單位都為A·h。

（二）動力電池電壓和電流的檢測

圖3為電動汽車動力電池電流監(jiān)測方案。本方案設計了分流器來實時監(jiān)測動力電池組流經(jīng)DC/DC轉換器的小電流，采用了霍爾式傳感器來實時監(jiān)測流經(jīng)電機控制器輸入給電機的大電流，傳感器和分流器把監(jiān)測的數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)诫娏鞅O(jiān)測模塊模塊中，并最終傳遞給BCU模塊。

電動汽車需要較強的動力供給，因此其動力電池組需要把數(shù)量眾多動力電池串聯(lián)起來，要實現(xiàn)對動力電池組電壓的監(jiān)測難度較大、工作復雜且耗費時間長。為了解決這個問題，目前最好的方法是采用一種專用芯片去采集電池組電壓，電壓采集精度與芯片有關。經(jīng)過分析論證，本案采用了性價相對較高LTC6802芯片，此芯片A/D轉換分辨率較高（1mv），電壓采集精度高且誤差較?。ú怀^8mv），A/D轉換仍屬于輪詢收集方法。能夠滿足要求。

在動力電池組工作時，能夠比較方便準確地測量電池組的工作電壓，所以采用電池組的工作電流作為系統(tǒng)的激勵，采用卡爾曼濾波算法即可獲得動力電池的荷電狀態(tài)。

四、磷酸鐵鋰電池的均衡管理

為了實現(xiàn)對磷酸鐵鋰動力電池的均衡管理，設計了一種單電感的均衡管理方案。當磷酸鐵鋰電池組中電池的容量差異達到或超過了設定的最大值或者已經(jīng)影響到電池組的正常工作時，搭建的系統(tǒng)就開始工作，逐步讓每塊電池的容量變得均衡，方案如圖4所示。

在matlab/simulink中，用建立的電池模型對該單電感均衡方案進行封裝，并搭建如下的仿真模型，對改進的均衡管理方案進行驗證。

設定兩組電池的荷電狀態(tài)分別為SoC1=95%，和SoC2=90%，仿真結果表明250s后，兩個電池的荷電狀態(tài)趨于均衡。

五、總結

基于磷酸鐵鋰電池的基本原理，搭建了磷酸鐵鋰電池的基本仿真模型，在深入分析電池電壓、電流特性的基礎上，設計出了一種單電感均衡管理方案。此方案能完成對動力電池組任意兩個電池之間的均衡管理，最終使它們的荷電狀態(tài)基本一致。

參考文獻

[1] Choi， H. and Oh， I.， “Analysis of product efficiency of hybrid vehicles and promotion policies，” Energy Policy， Vol.38（5）， pp. 2262-2271， 2010.

[2] Amjad， S.， Neelakrishman， S. And Rudramoorthy， R.， “Review of design consideration sand technological challenges for successful development and deployment of plug-in hybrid electric vehicles，” Renewable and Sustainable Energy Reviews，” Vol.14（3）， pp. 1104-1110， 2010.

[3] Jarrett， A. and Kim， I.Y.， “Design optimization of electric vehicle battery cooling plates for thermal performance，” Journal of Power Sources， Vol.196， pp. 10359-10368， 2011.

[4] Kizilel， R.， Lateef， A.， Sabbah， R.， and Farid， M.M.， “Passive control of temperature excursion and uniformity in high-energy Li-ion battery packs at high current and ambient temperature，” Journal of Power Sources， Vol.183， pp. 370-375， 2008.

[5] Ling， Z.， Zhang， Z.， Shi， G.， Fang， X. et al.， “Review on thermal management systems using phase change materials for electric components， Li-ion batteries and photo voltaic modules，” Renewable and Sustainable Energy Reviews，” Vol.31（2）， pp. 427-438， 2014.

[6] Pesaran， A.A.， “Battery Thermal Management in EV and HEVs Issues and Solutions，” Battery Man，” Vol.43（5）， pp. 34-39， 2001.

[7] Zolot， M.， Pesaran， A.， and Mihalic， M.， “Thermal Evaluation of Toyota Prius Battery Pack，” SAE Technical Paper 2002-01-1962， 2002， doi： 10.4271/2002-01-1962.

[8] Kelly， K.J.， Mihalic， M. And Zolot， M.， “Battery Usage And Thermal Performance Of The Toyota Prius And Honda Insight During Chassis Dynamometer Testing，” Battery Conference on Applications & Advances， pp. 247-252， 2002.

[9] Rao， Z. and Wang， S.， “A review of power battery thermal energy management，” Renewable and Sustainable Energy Reviews， Vol.15（9），pp. 4554-4571， 2011.

[10] Frusteri， F.， Leonardi， V.， Vasta， S. And Restuccia， G.， “Thermal conductivity measurement of a PCM based storage system containing carbon fibers，” Applied Thermal Engineering， Vol.25（11），pp. 1623-1633， 2005.