解析电动自行车锂电池组保护电路设计

解析电动自行车锂电池组保护电路设计

发表时间：2019-12-23T09:45:32.933Z 来源：《电力设备》2019年第18期作者：周长山

[导读] 摘要：锂电池具有能量密度高、使用寿命长、自放电率较小等特点，常用于储能系统，也是目前电动车行业的首选能源。

（哈尔滨光宇电源股份有限公司黑龙江哈尔滨 150078）

摘要：锂电池具有能量密度高、使用寿命长、自放电率较小等特点，常用于储能系统，也是目前电动车行业的首选能源。锂电池组由单体锂电池串联而成。由于受锂电池自身和生产加工的制约，单体锂电池存在电阻、电压、容量等方面的差异，加之电池组装顺序不同，以及产生热量后的散热速率、自放电速率的差别等，因此，加强锂电池组保护电路的研究具有重要意义。本文中，主要对锂电池组保护电路设计展开相关概述。

关键词：锂电池；电池组；保护电路

引言

锂离子电池是目前已经商业化应用的电池中比能量最高的品种，因此在电动车设计中被广泛关注。现有的电池设计和制造技术难以保持电池单体参数的一致性，在实际装车使用时，由于安装位置的不同、散热状况的差别、周围环境的变化等因素，一定程度上使得电池参数的不一致性更加显著，这些参数差异会导致一个电池组内各电池单体间的不均衡问题，使其具有不同的荷电状态和端电压，严重降低电池组性能，甚至产生安全隐患。

1锂电池和电池组建模

针对锂电池管理研究，首先要明确锂离子电池的动态和静态特性。电池和电池组建模仿真能够反映电池充放电特性，是开展机理研究的重要手段。

1.1锂电池模型

锂电池模型通过电池电压、温度等可测量参数对电池的内部性能进行描述，并对参数变化进行预测。常用的锂电池模型包括电化学模型、数学模型和等效电路模型。

电化学模型是根据电池内部化学反应过程构建模型。从电化学原理出发，准确模拟电池内部电离子的传输、扩散、电化学反应、热力学现象，描述电池离子浓度的分布梯度，分析电池衰减机制和健康状态。电化学模型通常由多个偏微分方程构成，模型较复杂。

数学模型是依据实验数据，运用经验公式和数理方法建立电池经验模型，从理论上分析锂电池的一般规律。常用的数学模型有Kinetic 模型和离散马尔科夫链电池模型，但都仅关注电池外特征，难以描述电池机理过程和电池的电压−电流外特征。

等效电路模型是采用电容、电阻等电子元器件搭建电池模型，描述充放电过程中电池特性，能够较好地反映电池的动态特性，常用于电池荷电状态估算。等效电路模型具有简单直观、精度较高、计算量较小的优点。常用的等效电路模型有Rint模型、Thevenin模型、PNGV 模型。Rint模型简单，但忽略了温度、电解液浓度等因素对电池特性的影响。Thevenin模型考虑温度、电流倍率的影响，模型参数容易辨识，具有一定的动态和静态性能，但无法同时描述电池充放电过程中内部电解液发生的浓度差和电化学两种极化现象，且不能准确描述电池实时动态。在Thevenin模型基础上，增加一组RC回路，组成二阶RC等效电路模型，能兼顾电池的稳态特性和暂态特性，但无法排除自放电和温度的影响。PNGV模型则能很好地体现电池动态性能。

1.2锂电池组建模

由于单体电池状态变化、电池包内温度分布情况和电池成组方式等因素都会影响电池组特性，因此电池组建模更加困难。常用的电池组模型包括神经网络模型、电化学模型和等效电路模型。

国内学者经常会根据电池的电化学特性构建电池组电化学模型，利用卡尔曼滤波和最小二乘法分别建立在线和离线参数辨识方法，并通过实验对模型进行验证。国外学者则倾向于根据统计方法搭建电池组模型，缺点是精度由电池参数辨识的准确性决定，缺乏工程验证。学者们大多将并联电池模组简化为一个大电池模型，再将大电池模型串联组成电池组模型。假设各单体电池参数完全相同，进行整体参数辨识和仿真，但是忽略了电池连接方式对电池组性能的影响，无法对电池模组中各单体电池一致性衰减过程进行准确描述。为提高模型精度，山东大学王丽梅等人进一步考虑电池连接件阻抗和极柱引出位置等影响因素，采用Thevenin模型构建电池组等效电路模型，对电池组充放电性能进行仿真，如图1所示。

图1 基于 Thevenin 模型的并联电池模组等效电路模型

针对电池组的模型构建通常简化处理，常忽略电池参数差异。在储能系统中，电池数量多，电池参数呈离散式分布，若不能充分考虑电池参数差异问题，电池组模型精度将无法满足实际应用中的设计要求。

2锂电池组均衡管理控制策略

主动型和被动型是目前锂电池均衡管理控制策略的两种主要形式。被动型均衡管理控制策略也称耗散型均衡管理控制策略，在每个单体电池上并联一个可控的电阻进行分流，将容量大的电池中多余的电量以热量的形式消耗掉，从而实现整组电池电压的均衡。主动型均衡管理控制策略主要利用电路拓扑开关结构和算法进行融合，实现电量的转移，分为电量消耗型均衡管理控制策略和非电量消耗型均衡管理控制策略。电量消耗型属于电量浪费，非电量消耗型则是通过储能元件将电量多的部分传递给电量较少的电池。非电量消耗型均衡管理控

时反映当前电池组电流过大或电压不足情况。基准电压可通过改变电阻进行调整，实际大小根据当前工作的电池组数量而定。