磷酸鐵鋰電池管理單元的研究

磷酸鐵鋰電池管理單元的研究

0鉛酸電池使用受污染嚴(yán)重,易產(chǎn)生記憶效益。在現(xiàn)代社會(huì),多目前，大型節(jié)水電氣工程和現(xiàn)代城網(wǎng)建設(shè)的可靠性系統(tǒng)質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行和運(yùn)行有重要影響。直流系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性對(duì)變電站的正常運(yùn)行起著關(guān)鍵的作用,也是變電站安全運(yùn)行的保障。由于蓄電池是直流系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分,直流系統(tǒng)的核心工作就是科學(xué)的維護(hù)蓄電池,對(duì)蓄電池進(jìn)行合理的充放電管理是使其長(zhǎng)期運(yùn)行的保證。在眾多化學(xué)電池中,鉛酸電池雖然目前被各種變電站廣泛應(yīng)用,但由于鉛污染的存在,一些鉛酸電池生產(chǎn)單位已被責(zé)令關(guān)閉。如此勢(shì)必引起鉛酸電池價(jià)格上漲,使用率下降。鎳氫、鎘鎳電池體積大,循環(huán)壽命短,有記憶效益,使用受到了限制。在近些年里,鋰離子電池獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展,成為電池家族的重要一員。鋰離子電池是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的高容量可充電電池,它的優(yōu)點(diǎn)是能夠存儲(chǔ)更多的能量,能量比大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率小、無記憶效應(yīng)和無環(huán)境污染。鋰離子電池的正極材料是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰等,負(fù)極是碳素材料。因?yàn)樵牧镶挕㈠i價(jià)格高和污染較重,性能活潑易爆炸,目前電池業(yè)界的研究及應(yīng)用主要投入在成本較低的磷酸鐵鋰電池上。磷酸鐵鋰電池具有其它蓄電池所不具備的優(yōu)勢(shì),它結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,循環(huán)性好,安全性優(yōu)良,這些使得它的市場(chǎng)前景也很廣闊。因此,磷酸鐵鋰電池可以作為變電站直流系統(tǒng)的蓄電池。磷酸鐵鋰電池管理單元(BMS)是文中研究的重點(diǎn),如何把握電池內(nèi)部狀態(tài)的變化規(guī)律以及外部因素對(duì)電池容量的影響、建立合理有效的電池模型和SOC算法、實(shí)現(xiàn)SOC在線估計(jì)并減少估算誤差,是電池安全管理最基本、最重要的方面。安全管理主要是指工作狀態(tài)下電池的安全性問題,包括過充過放控制、過流保護(hù)、高壓隔離、均衡處理和熱管理。當(dāng)電池發(fā)生異常,BMS應(yīng)馬上啟動(dòng)電池控制模塊的保護(hù)功能,保證電池能夠以正常方式運(yùn)行。1磷酸鐵氧化池的介紹1.1電池電極的連接磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。左邊是橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鐵鋰作為電池的正極,由鋁箔與電池正極連接,中間是聚合物的隔膜,把電池正極與負(fù)極隔開,鋰離子可以通過而電子則不能通過,右邊是由碳或石墨組成的電池負(fù)極,由銅箔與電池的負(fù)極連接。電池內(nèi)部充有電解液,外部由金屬外殼密閉封裝。1.1.2磷酸鐵理在目前使用上的優(yōu)點(diǎn)(1)超長(zhǎng)壽命。長(zhǎng)壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右,最高也就500次,而磷酸鐵鋰電池,循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上,標(biāo)準(zhǔn)充電(5小時(shí)率)使用,可達(dá)到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)又半年”,在電力行業(yè)應(yīng)用中最多也就5~8a時(shí)間,而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用,將達(dá)到8~10a以上。(2)使用安全。磷酸鐵理完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題,鈷酸鋰和錳酸鋰在強(qiáng)烈的碰撞下會(huì)產(chǎn)生爆炸,對(duì)電力安全構(gòu)成威脅,而磷酸鐵鋰經(jīng)過嚴(yán)格的安全測(cè)試,即使在最惡劣的交通事故中也不會(huì)產(chǎn)生爆炸。(3)可大電流快速充放電。磷酸鐵鋰電池可大電流(2C電流)快速充放電,在專用充電器下,1.5C電流充電40min內(nèi)即可使電池充滿,起動(dòng)電流可達(dá)2C,而鉛酸電池現(xiàn)在無此性能。(4)耐高溫。磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350~500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20~75℃),有耐高溫特性。(5)無記憶效應(yīng)?？沙潆姵卦诮?jīng)常處于充滿不放完的條件下工作,容量會(huì)迅速低于額定容量值,這種現(xiàn)象叫做記憶效應(yīng)。像鎳氫、鎘鎳電池存在記憶性,而磷酸鐵鋰電池?zé)o此現(xiàn)象,電池?zé)o論處于什么狀態(tài),可隨充隨用,無須先放完再充電。(6)綠色環(huán)保。該電池不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),無毒(SGS認(rèn)證通過),無污染,符合歐洲RoHS規(guī)定,為絕對(duì)的綠色環(huán)保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛,在其廢棄后若處理不當(dāng),仍將對(duì)環(huán)境造成二次污染,而磷酸鐵鋰材料無論在生產(chǎn)及使用中,均無污染。2電池管理系統(tǒng)由于變電站電池組是由多節(jié)單體電池串聯(lián)組成。在直接使用沒有配備電池管理系統(tǒng)的電池組的情況下,由于電池組內(nèi)單體之間的差異在使用過程中會(huì)逐漸增大,而且無法進(jìn)行調(diào)節(jié),那么導(dǎo)致電池組在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)單體過充、過放、過流及電池組環(huán)境溫度過高等一系列故障,造成整個(gè)電池組的使用壽命縮減,性能下降,嚴(yán)重時(shí)報(bào)廢、爆炸等。因此,磷酸鐵鋰電池組配備電池管理系統(tǒng)是十分必要的。電池管理系統(tǒng)可以有效解決電池組的安全問題,從而確保電池組可靠運(yùn)行,同時(shí)延長(zhǎng)電池組使用壽命,降低電池使用成本。依據(jù)磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的實(shí)際需要,電池管理系統(tǒng)采用分布式結(jié)構(gòu),由電池管理單元(BMS)和溫度采集單元(BVT)組成。其在電池管理單元(BMS)總的控制下,使用多個(gè)控制單元分別實(shí)現(xiàn)電池管理系統(tǒng)所需的各種功能,如數(shù)據(jù)采集、均衡充電、電量估計(jì)及通訊顯示等;各個(gè)控制單元通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊,實(shí)現(xiàn)單個(gè)電池及電池組模塊電壓、總電壓、充放電電流、溫度等數(shù)據(jù)的采集和測(cè)量、電量估計(jì)(SOC)。同時(shí),分布式電池管理系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性,可以進(jìn)行具體電池診斷和電池安全性能保護(hù)等功能擴(kuò)展。2.1電池管理系統(tǒng)功能(1)具有系統(tǒng)自檢功能。(2)具有過充電、過放電、過電壓、過溫、過流保護(hù)告警功能。(3)具有高壓動(dòng)力母線預(yù)充電功能。(4)具有電池系統(tǒng)電壓、電流、進(jìn)口及出口溫度、電芯電壓、電芯溫度等測(cè)量功能。(5)具有電池系統(tǒng)SOC精確估算功能。(6)具有電芯均衡功能。(7)具有電池系統(tǒng)熱管理功能,使電池工作在適當(dāng)?shù)臏囟确秶鷥?nèi),降低各個(gè)電池模塊之間的溫差。(8)具有高壓電管理功能。(9)具有與直流屏上監(jiān)控器通訊功能。(10)能實(shí)現(xiàn)電池組的上電、充電、放電、斷電控制以及蓄電池組冷熱環(huán)境的控制。2.2電池屏內(nèi)入口及出口溫度溫度采集單元(BVT)能實(shí)現(xiàn)快速的采集單體電池的電壓及溫度,同時(shí)也可采集電池屏內(nèi)入口及出口溫度,具有電池組均衡功能,通過內(nèi)部CAN總線及時(shí)上送數(shù)據(jù)到BMS。實(shí)現(xiàn)對(duì)單體蓄電池狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。2.3電池保護(hù)電路設(shè)計(jì)電池管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu),如圖2所示。系統(tǒng)總體框架分析:電池管理單元(BMS)是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部件,主要功能有數(shù)據(jù)采樣控制、數(shù)字信號(hào)預(yù)處理、卡爾曼濾波優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)、上位機(jī)串口通訊、電池保護(hù)電路控制及其他外圍模塊管理。首先,溫度采集單元(BVT)對(duì)電壓、電流、溫度等電池參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,獲得相應(yīng)的AD采樣數(shù)據(jù)。然后,溫度采集單元(BVT)對(duì)這些數(shù)據(jù)做前期預(yù)處理,電池管理單元(BMS)進(jìn)而執(zhí)行SOC估計(jì)算法得到當(dāng)前電池剩余電量值。根據(jù)SOC估計(jì)值和其他電池參數(shù)信息,電池管理單元(BMS)對(duì)電池組狀態(tài)進(jìn)行診斷,若電池出現(xiàn)過充過放等異?，F(xiàn)象,電池管理單元(BMS)會(huì)立刻切斷充放電回路。最后,電池管理單元(BMS)會(huì)通過CAN通信將電池實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和SOC估計(jì)值傳送給直流屏上的監(jiān)控器。3影響因素的多因素分析在磷酸鐵鋰電池使用過程中,電池剩余電量受到許多內(nèi)外不確定因素的影響。如何利用電池可測(cè)參數(shù)數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)當(dāng)前電池剩余電量準(zhǔn)確估算一直以來是磷酸鐵鋰電池管理系統(tǒng)的核心問題和急需解決的技術(shù)難點(diǎn)。3.1電池剩余電量與動(dòng)力電池比簡(jiǎn)單地說,SOC就是指電池當(dāng)前所存儲(chǔ)的電量,即剩余電量。它是反映電池狀態(tài)的主要參數(shù)。通常情況下,SOC數(shù)值上定義為在一定放電環(huán)境下,電池剩余電量與電池容量的比值:式中:Qn為標(biāo)稱容量;Qc為電池標(biāo)準(zhǔn)剩余電量,是指當(dāng)前電量狀態(tài)下電池以室溫25℃C/30倍率完全放電至放電截止電壓所獲得的全部電量;Qi為電池標(biāo)準(zhǔn)己用電量,數(shù)值上等于標(biāo)稱容量與標(biāo)準(zhǔn)剩余電量的差值;QI為實(shí)際己用電量,是指電量完全充滿的電池以實(shí)際工作溫度及放電倍率下所放出的電量。η為電池效率系數(shù),用來量化各種因素對(duì)電池SOC的影響。3.2影響soc估算的因素在電力系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境中,SOC受放電倍率、電池溫度、自放電率、循環(huán)使用次數(shù)等許多因素的影響,這給SOC的估算帶來了很大的困難。(1)放電倍率對(duì)放電倍率的影響在其他影響因素不變的條件下,電池放電容量會(huì)隨著放電倍率的增加而降低。這是因?yàn)殡姵貎?nèi)部活性物質(zhì)沿電極厚度方向的作用深度是有限的,當(dāng)大電流放電時(shí),放電倍率越大,作用深度就越淺,利用率越低,所以電池容量也就越小,反之電池容量就越大。圖3為室溫25℃磷酸鐵鋰電池在放電倍率0.25C和0.85C時(shí)的恒流放電特性曲線。(2)溫度和電池可電量的影響磷酸鐵鋰電池電量和活性物質(zhì)利用率都會(huì)隨著電池溫度的上升而增加,這主要是由電解液溫度性能變化引起的。當(dāng)電池溫度升高時(shí),電解液黏度減小、活性增大,導(dǎo)致離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)能力增強(qiáng),最終使得活性物質(zhì)利用率提高,磷酸鐵鋰電池實(shí)際可用電量增大。反之,電池溫度下降時(shí),活性物質(zhì)利用率降低,實(shí)際可用電量減少,所以電池實(shí)際可用電量是和電池溫度成正比關(guān)系的。在實(shí)際使用中,磷酸鐵鋰電池的充放電工作溫度范圍為:0~45℃。(3)電量的增加在使用一段時(shí)間后,磷酸鐵鋰電池的標(biāo)準(zhǔn)可放總電量會(huì)發(fā)生一定的變化。一開始電量會(huì)有所增加,在接下來一段時(shí)間內(nèi)大體保持不變,然后電量會(huì)逐步減少。對(duì)于磷酸鐵鋰電池,一般用可放總電量降至標(biāo)稱電量80%時(shí)的充放電次數(shù)來表示電池循環(huán)壽命。(4)存儲(chǔ)時(shí)間的影響自放電又稱荷電保持能力,是指在一定環(huán)境條件下,電池開路狀態(tài)的存儲(chǔ)電量保持能力。電池在自放電的作用下,SOC值會(huì)隨著存儲(chǔ)時(shí)間的增加而減小。一般情況下,自放電率用單位時(shí)間內(nèi)容量降低的百分比表示。式中:Ca為存放前的電池電量;Cb為存放后的電池電量;T為電池存放的時(shí)間。鋰電池自放電率大小與循環(huán)使用次數(shù)、環(huán)境溫度以及存儲(chǔ)時(shí)間等多種因素有關(guān),一般利用試驗(yàn)的方法推導(dǎo)計(jì)算得到。3.3影響soc方法估計(jì)的因素磷酸鐵鋰電池在直流電源中的放電是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過程,放電倍率、環(huán)境溫度、電池內(nèi)阻、自放電率等因素都會(huì)對(duì)電池SOC值的估計(jì)判斷產(chǎn)生影響,同時(shí)這些因素又會(huì)隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加而發(fā)生改變,從而相應(yīng)地增加了電池建模和SOC算法估計(jì)的難度。目前,國(guó)內(nèi)外磷酸鐵鋰電池SOC的估算方法主要有放電試驗(yàn)法、開路電壓法、安時(shí)計(jì)量法、內(nèi)阻測(cè)量法等,下面對(duì)這些方法進(jìn)行簡(jiǎn)要的介紹分析。(1)流值與時(shí)間的累積放電試驗(yàn)法是使用恒定電流對(duì)電池進(jìn)行連續(xù)放電直至電池端電壓達(dá)到放電截止電壓的實(shí)驗(yàn)方法,電池剩余電量等于放電電流值與時(shí)間的乘積。放電試驗(yàn)法在實(shí)驗(yàn)室里經(jīng)常使用,是最可靠的SOC估計(jì)方法,并且適用于所有類型的電池,但它也存在兩個(gè)方面的缺陷:第一,需要花費(fèi)大量測(cè)量時(shí)間。只有當(dāng)整個(gè)放電試驗(yàn)結(jié)束后,之前各時(shí)刻的SOC值才能被計(jì)算得到,無法做到SOC的實(shí)時(shí)估計(jì);第二,電池之前進(jìn)行的工作要被迫停止,并轉(zhuǎn)到恒流放電狀態(tài)。(2)開口電壓與soc的比例關(guān)系及對(duì)策電池開路電壓在數(shù)值上與電池電動(dòng)勢(shì)非常接近。磷酸鐵鋰電池電動(dòng)勢(shì)是關(guān)于內(nèi)部電解質(zhì)密度的函數(shù),而電解質(zhì)密度會(huì)隨電池放電次數(shù)的增加而成比例下降,所以開路電壓法是按照電池在一定條件下開路電壓與SOC值成數(shù)學(xué)比例關(guān)系的原理來估算SOC。在放電末期,開路電壓估計(jì)SOC的效果較好。但是開路電壓法自身也存在著一些不足,例如電池開路電壓測(cè)量的時(shí)間問題。為了克服自恢復(fù)效應(yīng),電池需要長(zhǎng)時(shí)間靜置才能達(dá)到電壓狀態(tài)穩(wěn)定,一般這個(gè)靜置過程需要幾個(gè)小時(shí)到十幾個(gè)小時(shí),這就造成了時(shí)間上的浪費(fèi);此外,如何正確判定電池是否達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)也是剩余電量估計(jì)的難點(diǎn)。當(dāng)電池處于放電中期平臺(tái)時(shí),開路電壓與SOC的數(shù)值對(duì)應(yīng)關(guān)系并不十分明顯,導(dǎo)致SOC估計(jì)誤差較大。(3)放電初始狀態(tài)的soc測(cè)量安時(shí)計(jì)量法是通過計(jì)算電池在充電或放電時(shí)的累積電量來估計(jì)電池的SOC,并根據(jù)溫度、充放電倍率對(duì)SOC估計(jì)值進(jìn)行補(bǔ)償。它是目前使用最普遍、最簡(jiǎn)單的SOC估計(jì)方法,己成功地應(yīng)用到電子類消費(fèi)品的電量估計(jì)。如果規(guī)定充放電初始狀態(tài)為SOC0,那么當(dāng)前狀態(tài)的SOC值可由式(3)計(jì)算得到。式中:Qn為標(biāo)稱容量;i表示電池電流,放電時(shí)為正,充電時(shí)為負(fù);η為電池效率系數(shù),包括溫度影響系數(shù)ηT和充放電倍率系數(shù)ηi,其中ηi可由Peukert方程得到。在使用安時(shí)計(jì)量法時(shí)應(yīng)注意三個(gè)方面的問題:方法自身不能提供電池初始值SOC0;不準(zhǔn)確的電流測(cè)量將增大SOC估計(jì)誤差,經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間累積,該誤差會(huì)變得越來越大;估算SOC時(shí)必須考慮電池效率系數(shù)。雖然電流測(cè)量的精度問題可以通過使用高性能電流傳感器解決,但是這樣會(huì)使系統(tǒng)成本大幅增加。同時(shí),解決電池效率系數(shù)η問題必須通過大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立溫度影響系數(shù)ηT和充放電倍率系數(shù)ηi的經(jīng)驗(yàn)公式。(4)池內(nèi)交流電阻的soc值的計(jì)算內(nèi)阻測(cè)量法是指通過以不同頻率交流電激勵(lì)電池的方式來測(cè)量電池內(nèi)部