为使二次电池成为完全意义的智能电池 ,研究者不断把智能控制的先进技术与二次电池相结合 ,使它既能满足便携式设备电源的要求 ,也能提供电动汽车用的大功率动力能源。但是 ,目前还没有针对电动汽车用智能电池的定义。为此 ,本文在国内外智能电池研究的基础上,探讨电动汽车用智能电池的定义及其结构。
1 电动汽车用智能电池定义的研究现状
智能电池系统有单智能电池系统和多智能电池系统两种 ,目前电动汽车用智能电池采用单智能电池系统。
该系统硬件包括系统电源、 系统主机、 智能电池、 智能电池充电器、 AC/ DC 转换器及传输数据总线网络(SMBus) 。软件包括传输数据的通信协议、数据处理平台和嵌入式操作系统以及相应的程序。
目前 ,关于智能电池的定义有两个分支:一种定义偏向智能电池对外功能的表述;另一种定义偏向智能电池内部功能的表述。
1) 偏向对外功能表述的定义。智能电池系统以 SBS - IF 中提供的标准为参考 ,在 1998 年发布的标准中 ,智能电池的定义为:装备有硬件控制电路的电池 ,在软件控制下 ,向 SMBus 主机提供电池的目前状态、 计算并预测信息。随后有研究者提出 ,智能电池是指电池(组)内含一个控制器记忆自身充电状态并通过其串行接口通知外部充电器电池所需的充电方式。
2) 偏向智能电池内部功能表述的定义。2001年 ,有研究者提出智能电池是指在电池组内装入微计算机功能以便进行电池余量管理的一种智能电池组。2006 年 ,研究人员提出智能电池是能对自身进行高效管理的电池电源系统 ,包括电池和控制系统 ,电池进行能量的存储和供给 ,控制部分一般由单片机系统及其周边器件组成 ,完成智能化测量、 计算和管理控制 ,整体构成完整的便携式电力供给系统。
上面两种对智能电池的定义大多是针对笔记本电脑用电池 ,不能支持现代车辆或新兴电动工具的应用要求 ,主要是因为它不能解决串联电池中因不同容量造成的过充过放等缺陷。而且智能电池比较全面的定义应该包括结构组成、 对外功能、 内部功能三个方面 ,而上面两种定义只从其中两方面对智能电池进行概括 ,所以都不太完善。
2 电动汽车用智能电池的定义
2. 1 定义依据电动汽车用智能电池是智能电池应用发展的一个特殊方向。它主要由二次电池和带某种智能算法的控制器组成 ,其中 ,二次电池至少由两个单格电池串联而成 ,因为电动汽车用电池的单格电池工作电压低 ,不能覆盖应用范围 ,所以内部应由多个单格电池串联而成才能满足电动汽车应用工况电压要求。对外 ,智能电池通过系统管理总线( SMBus)与电动汽车相联 ,为电动汽车提供二次电池的各种数据/状态 ,同时它还与外部的充电器相连 ,通知充电器二次电池所需的充电模式;在其内部 ,控制部分完成对二次电池的监测、 保护和通信 ,最重要的是能实现充放电均衡控制。
2. 2 电动汽车用智能电池应当解决的问题
目前 ,智能电池主要针对便携式设备的电源 ,其控制部分主要监测电池的电压、 电流和温度 ,以提供安全保护作用。现在的智能电池要提供如电动汽车用大功率能源还存在如下问题:串联电池中各单格电池的初始容量、 电压、 内阻等均不完全相同 ,使用过程中可能会造成某单格电池过充电或过放电 ,降低整个智能电池的使用寿命和能量利用率。所以如何控制电动汽车用智能电池内部不同单格电池电压的均衡分配(均衡控制问题) ,使各单格电池的电压分散性趋于最小化 ,成为目前国内外研究者最关注的问题。
目前 ,国内外有关充放电均衡控制的研究按其控制方式主要分为两种:集中均衡法和分散均衡法。集中均衡就是整个电池包共用一个均衡器;分散均衡就是 n个电池组采用多个均衡器进行控制。
2. 3 电动汽车用智能电池的定义
为了使智能电池的定义更切合于电动汽车的应用 ,可将电动汽车用智能电池定义为:装备有监控管理系统的二次电池(至少由两个单格电池串联而成)在具有一定控制策略的软件控制下 ,为电动汽车提供二次电池的各种数据/状态信息并通知外接充电器基本的充电方式 ,同时内部实现对二次电池的监测、 安全保护以及充放电均衡控制 ,并提供必要的内部通信。
3 电动汽车用智能电池的结构
本文分析分散型充放电均衡控制的智能电池。
总监控管理系统由 MCU、 总线的电流/电压检测电路、 温度检测电路、 保护电路和充/放电均衡控制电路组成。
单格监控管理系统主要由 DC/ DC 转换模块、MCU、 电流/电压检测电路、 温度检测电路、 保护电路和充/放电均衡控制电路组成。
单格监控管理系统只对其控制的单格电池负责 ,而总监控管理系统既要监测整个电池包 ,还要控制单格监控管理系统的整个充/放电过程。这种方法具有以下优点:
1) 电压动态均衡。从充放电的一开始就实现单格电池之间的电压动态均衡 ,使单格电池能同时充到电压上限 ,也能同时放到电压下限。
2) 能量损耗小。能量表面上是从总线获取 ,事实上是从高荷电状态的电池搬迁到低荷电状态的电池上 ,并且使用DC - DC 时高电压向低电压转换的效率高 ,因此这种模式损耗小。
3) 结构灵活、 易于实现。 每个单格电池都对应一个控制模块 ,能量不再限制于相邻两电池之间搬迁而可以任意在电池间搬迁。这种方式灵活 ,可以使单格电池的数量在一定范围(2～6 个)内任意增加 ,通用性较强 ,系统电压也较低 ,安全可靠。
4 电动汽车用智能电池内部功能的实现
电动汽车用智能电池内部功能包括各种参数的监测、 安全保护、 充/放电均衡控制、 控制策略和内外部通信。
1) 监测。单格监控管理系统检测单格电池的端电压、 均衡电流和单格电池正极端温度。总监控管理系统检测电池系统总线的端电压、总的充/放电电流( Ic )和环境温度。对锂电池和铅酸电池有检测与控制精度上的区别 ,如: 电压检控中 ,无机锂电池的充电上限电压为(4. 2 + 0. 05) V ,监控精度是 0. 01 V ;铅酸电池充电电压为 14. 7 V ,监控精度是 0. 1 V。
2) 控制策略。即总监控管理系统和单格监控管理系统内部的控制算法。总监控管理系统通过通信线路(Bus) 控制何时、 哪个单格监控管理系统开始提供 I′ cbj ;单格监控管理系统只对其单格电池负责 ,完成两项任务 ,即以最优的效率提供 I′ cbj完成单格电池的均衡以及在总线失效的情况下保证自身的安全特性。
3) 安全保护。单格监控管理系统、 总监控管理系统将检测到的电压、 温度值与内部阈值进行比较 ,如果在阈值外 ,则控制断开电路 ,以免过充、 过放、 过流(短路)或由于温度过高引起电池损害。
4) 充/放电均衡控制。总监控管理系统通过控制单格电池的补充/放电电流 ,使单格电池充/放电电流不同 ,从而达到单格电池电压实时均衡。而且 ,每个单格电池在充电过程中均能充到自己的最大电量 ,在放电过程中也均能放出自己最大的电量 ,而不会出现过充或过放电。
5) 通信。智能电池内部的通信:智能电池内部的各个单格监控管理系统通过内部总线 ,依据传输协议进行通信 ,把单格电池的状态传输给总监控管理系统,以便总监控管理系统分析计算 ,给出均衡指令。智能电池与外部的通信:单个智能电池与其他智能电池之间以及电动汽车总监控系统之间的通信 ,其目的是使它们之间能够协调 ,提供最大的能源利用效率。为避免各个串联电池之间共地可能造成的系统短路 ,通过 SMBus与外部通信时需要采用隔离通信方式。
