磷酸铁锂动力电池充电方法研究和均衡充电模块的设计

重庆大学硕士学位论文磷酸铁锂动力电池充电方法研究和均衡充电模块的设计姓名：徐伟申请学位级别：硕士专业：电气工程指导教师：刘和平2010-05重庆大学硕士学位论文中文摘要I摘要动力电池是电动汽车的核心能源，磷酸铁锂电池以高安全性、动力、环保及长寿命而成为电动汽车动力电源的昀佳选择。然而，对磷酸铁锂动力电池的充电方法的研究目前不是很多，将其应用在电动汽车上也还存在较多的工程问题未解决。论文以此为背景，具体完成了以下工作：论文根据磷酸铁锂电池组充电技术要求，搭建了充电实验平台，设计了充电实验平台的CAN网络和监控单元。监控单元主控制板与充电机和电池管理系统通过CAN网络通信。主控制板利用CAN总线对充电机的充电方法进行控制，并利用串口完成了与上位监控程序的通信。对磷酸铁锂电池充电特性和充放电机理进行了分析，完成了磷酸铁锂单节电池和串联电池组的大量充电实验。在实验的基础上，采用了一种基于模糊控制的恒单节电池充电电压上限值的电池组串联充电方法。该方法可以有效地对单节电池进行过充保护。考虑到单节电池在串联充电时，电池之间的不一致性会逐渐加剧，为了保证电池使用寿命只有降低电池组的利用率。均衡充电，作为减小电池组特性不一致性的有效方法，可以均衡电池的特性，从而提高电池组的使用率和显著延长电池组寿命。论文在分析了目前各种均衡充电方案的基础上，设计了一种先用主充电机充电，再用均衡充电模块对单节电池补充充电的均衡方案。对均衡充电模块的主电路、控制驱动电路以及均衡充电模块的软件进行了设计。同时搭建了实验电路，给出了均衡充电模块的实验波形，在实验电路的基础上完成了对电池组中未充满电池的补充充电，验证了该方案的可行性。关键词：磷酸铁锂动力电池，充电实验平台，充电方法，均衡充电模块重庆大学硕士学位论文英文摘要IIABSTRACTPowerbatteryisthecoreenergyofElectricVehicle.Lithiumironphosphatebatteryisthebestchoiceofpowerbatterybecauseofitshighsecurity,power,environmentalprotectionandlonglife.However,theresearchonchargingmethodsoflithiumironphosphatebatteryisjuststartingupandtherearestillmanyunresolvedproblemsinengineeringapplicationofElectricVehicle.Inthisbackground,followingworkhasbeencompleted:AchargingexperimentalplatformhasbeenbuiltbasedonthechargingrequirementsofLithiumironphosphatebatteries.RelativeCANnetworksandmonitoringunitalsohavebeendesigned.MaincontrolpanelofmonitoringunitcommunicateswithbothchargerandbatterymanagementsystemthroughtheCANnetworks.Itcontrolschargingmethodsofchargerandusesserialinterfacetocompletethecommunicationwithuppercomputer.Thechargingcharacteristicsandmechanismsoflithiumironphosphatebatteryhavebeenanalyzed,andalargenumberofchargingexperimentsonasinglecellandseriesoflithiumironphosphatebatteryhavebeencompleted.Basedontheseexperimentresults,achargingmethodaboutwhichthesinglecellupperlimitvoltageisconstantbasedonfuzzycontrolhasbeenproposed.Themethodcanconductoverchargeprotectiononeachsinglebattery.Takingintoaccountofasinglecellintheseriescharging,theinconsistencyamongbatterieswillgraduallyincrease.Inordertoensurethelifeofbatteries,onlyreduceutilizationofbatteries.Equalizationcharging,asaneffectivewaytoreducetheinconsistencyofbatteries,balancesthecharacteristicsofbatteries,therebyimprovingutilizationofbatteryandsignificantlyextendsbatterylife.AfteranalyzedmanyschemesaboutEqualizationcharging，abalanceschemewhichfirstchargingwiththemaincharger,andthenchargingwithaequalizationchargingmodulehasbeenproposed.Themaincircuit,controlcircuitandthesoftwaremoduleofequalizationchargingmodulehasbeendesigned.Atestcircuitalsohasbeenbuilt,theexperimentalwaveformsofequalizationchargingmoduleintheexperimentalcircuithavebeengiven.Basedontheexperimentalcircuit,aexperimentofcharginganotbeingfullychargedcellofbatterieshasbeencompleted,whichdemonstratedthefeasibilityofthisscheme.Keywords:LithiumIronPhosphateBattery(LiFePO4),ChargingExperimentalPlatform,ChargingMethod,EqualizationChargingModule重庆大学硕士学位论文1绪论11绪论1.1课题背景及意义能源枯竭，环境污染，已经成为当前社会急需解决的问题。随着汽车工业的不断发展，能源的过度消耗以及环境的严重污染，迫使人们开始考虑发展新一代节能环保型汽车。发展电动汽车是解决能源危机和环境污染的昀佳方案之一。电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的车辆。同燃油汽车相比，电动汽车极具吸引力：无污染，理论上可以做到零排放；无内燃机的燃烧噪声及活塞，曲轴等部件的运动噪声，运行时噪音低；运行效率高，适合城市工况下频繁启动停车；使用的电能为二次能源，来源可以多样化，如风力，水利，太阳能，潮汐能，煤炭等。对电动汽车的研究与开发已经成为当今世界的热点，美国日本等发达国家都在致力于电动汽车的研究，我国科技部也制订了863电动汽车重大专项来加快电动汽车的发展。当然，电动汽车的发展也存在许多需要解决和完善的问题。动力电池是电动汽车的核心能源，但是目前许多动力电池存在比能量低下、电池一次充电速度较慢、电动汽车续驶里程较短等问题。同时，电动汽车动力电池的充电方法和充电均衡性问题，也一直困扰着电动汽车的普及与应用。针对这种情况，对电动汽车动力电池的充电方法和均衡充电问题进行研究，将具有重要的意义和应用价值。1.2磷酸铁锂电池特点与应用前景电动汽车用动力电池要求具有高能量密度，高功率密度，循环寿命长，安全性好，工作温度范围宽，成本低，绿色环保等。所以动力电池必须向高能量密度，高功率密度，循环寿命长，安全性好，绿色环保等方面发展。磷酸铁锂单节电池的性能：终止充电电压上限值为3.65V，终止放电电压下限值为2.0V，标称电压为3.2V，单位质量能量比为60~75Wh/kg，单位体积能量比为220~240Wh/L。磷酸铁锂电池具有如下优点：①超长的寿命：以磷酸铁锂为正极材料的动力电池，循环寿命可达2000次以上。②快速充放电：可以以2C大电流快速充放电。③使用安全：磷酸铁锂电池即使在昀恶劣的交通事故中也不会产生爆炸，经过严格的安全测试。重庆大学硕士学位论文1绪论2④耐高温：锰酸锂和钴酸锂电热峰值只能在200℃左右，而磷酸铁锂电池电热峰值可达350℃～500℃。⑤重量较轻，体积较小。同等容量规格的磷酸铁锂电池的体积只有铅酸电池的2/3，重量只有铅酸电池的1/3。1.3充电方法研究现状充电方法的发展过程非常漫长。充电方法的发展受到电源技术，电池制造技术以及人们对电池特性的认知水平等方面的制约。传统的充电方法主要有恒流，恒压，先恒流后恒压等，这些方法虽然控制比较简单，容易实现，但是存在着充电时间较长，方法单一，易对电池造成伤害等缺点。针对传统的充电方法的安全性能低下，充电时间较长等缺点，国内外提出了一些比较新的充电方法，如变阶段恒流，脉冲充电，变电流间歇等方法，这些方法在提高充电的效率，减小电池充电的时间，延长电池的使用寿命等方面取得了一些进步，但是距离市场应用还有一段距离。目前磷酸铁锂动力电池组的充电一般都采用串联充电，这主要是因为串联充电方法结构简单、成本低、较容易实现。当前对磷酸铁锂电池组串联充电方法的研究还很少，主要还是基于电池组端电压的传统充电技术和设备。但由于单节磷酸铁锂动力电池之间在内阻、容量、衰减特性等性能方面的差异，在对磷酸铁锂动力电池组串联充电时，电池组中容量昀小的单节磷酸铁锂动力电池将昀先充满电，而此时，其他电池还没有充满电，如果继续串联充电，则已充满电的单节磷酸铁锂动力电池就可能会被过充电。1.4动力电池组均衡的必要性和均衡充电方法发展现状目前动力电池技术仍是制约电动汽车发展的重要因素。单节电池的电压和容量往往不能达到电动汽车的使用要求，因而需要将电池串联起来使用。当一组电池中某几节电池发生容量减小、内阻变高等情况时，整组电池的性能会快速恶化。单节动力电池的循环寿命通常可达到几百次甚至几千次，但是动力电池串联起来使用却很难达到这一水平。电动汽车运行的主要费用为动力电池组更换所需要花费的费用，为了降低电动汽车运行的成本，必须提高电池组的性能，改善电池组各单节电池之间的不一致性，延长电池组的使用寿命。电池组中各单节电池在长期使用过程中性能差异或不一致性造成的问题显得越来越重要，特别是这些不均衡现象不仅会使电池包容量变小，甚至还可能会造成严重的过充电、过放电等安全隐患。产生电池的不一致性的原因主要有以下几个方面[18][22]：重庆大学硕士学位论文1绪论3①动力电池本身所存在的不一致性。生产工艺、材质等的细微差异。在长时间的使用下，各电池的材质老化速度不同步，会使得单个电池的电压、内阻、容量产生较大差异变化。②动力电池充电过程所带来的不一致性。电池充电时，容量小的电池总是会被先充满，但是这时电池组还在充电，那么容量小的电池就会过充，会发生不可逆的损坏，从而使容量小的电池容量会进一步减小。③电池使用的过程中，使用环境的差异，如温度、电路板的差异等都有可能造成各单节电池容量的不平衡。④动力电池放电带来的不一致性。电池在放电的过程中，电池的容量越小电压下降得越快，能量耗尽的时侯，电池甚至有可能会出现反极性，导致电