文献综述:
1 课题背景及意义
在能源危机和环境污染的压力下,电动汽车(EV)在过去十年中取得了显著的技术进步。电动汽车在民用领域的市场越来越大,因为和传统的燃料动力汽车相比,它们具有节能和零排放的优势[1]。作为电动汽车的理想电源,锂离子电池(LIB)比铅酸电池等其他类型的电池相比,具有更大的电量、功率密度和更长的循环寿命[1]。
然而锂离子电池仍具有老化、参数非线性变化的问题,为解决这一类电池变化问题,同时也为了进一步对于电池信息的采集与控制,先进的BMS电池管理系统就显得十分必要了,目前市面上主要的BMS系统采用LTC6804系列及ISL78600系列IC芯片较多,但是相比于近年来MC33771芯片它们的信息采集时间较长而对于BMS来说及其依赖准确快速的信息获取与计算,那么设计基于MC33771芯片的BMS电池管理系统就显得十分必要了[2]。另一方面动力电池在工作的时候会发热,正常情况下可控,但是在电池温度过高或充电电压过高时,电池内部化学反应会接连发生,产生连锁反应,使电池内压及温度急剧上升,进而引发电池热失控,甚至发生起火及爆炸,为了让电池可以稳定工作,需要对原材料以及制造工艺进行品质控制,从内部保持生产的一致性;但即便如此也无法完全保证,这就需要 BMS(电池管理系统)从外部来控制电池组的温度,以便让电池发挥最佳效率。
在实际使用中电动汽车电池系统会产生诸如:温度上升不均,电量异常变化等问题严重影响汽车后续使用。另外由于电池个体差异,电芯技术无法满足均衡充放电,降低了电池的使用寿命[3]。针对当今电池使用老化问题,需要采用完善的电池管理系统(BMS),实现电池各项参数的高精度检测、剩余电量估算以及均衡充放电,提高电池的使用效率和寿命[4]。
在能源危机及世界环境问题愈发严重的大背景下,目前联合国决议电动汽车是迈入21世纪的重要节能减排项目,而对于电动汽车来说管理系统是绝对的核心,这其中BMS发挥着温度均衡,电量估算,充放电控制,电压电流检测保护,漏电流检测等重要工作,对其设计进行研究具有重要意义。
2 国内外研究现状
2.1 电池模型概述
通过对电池建模理论的研究,科研人员从不同的方面和不同的目的开发了各种类型的模型。常用的模型一般可以分为成三类:电化学模型、电热耦合模型和等效电路模型等。详细的电化学模型通常是针对基本的物理性质的电池进行研究,其中大多数是静态模型。这类模型是利用有限的元素分析来研究电池内部复杂的电化学过程,它们适用于电池设计,但不适合长时间的动态模拟研究。电热耦合模型建立了电池内部反应与温度分布和变化的关系,可用于电池的单体设计优化和电池组的热管理系统设计。等效电路模型通常是集中参数模型,并为长时间周期的模拟仿真研究而开发[5,6]。电气研究人员更青睐等效电路模型,因为该类模型更直观,可以与电池管理系统的其他电路设备进行集成设计和仿真研究[7]。
电池等效电路模型根据不同的电路结构形式,又进一步细分为Rint模型、Thevenin模型、PNGV模型、DP模型等,这些模型体现不同的功能效果:如极化效果,开路电压,充放电差异等[8,9]。
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