高效節(jié)能動力鋰電池檢測及化成系統(tǒng)

隨著電池工業(yè)的迅速發(fā)展，國內(nèi)外主要的電池廠家都投入大量資金和研發(fā)人員在原有小容量電池基礎(chǔ)上開發(fā)大容量高能量密度動力型電池。鋰電池由于工作電壓高、體積小、質(zhì)量輕、無記憶效應(yīng)、無污染、自放電小、循環(huán)壽命長等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電動車汽車能源系統(tǒng)、航空航天電源系統(tǒng)、太陽能光伏電源系統(tǒng)等設(shè)備中。蓄電池的檢測及化成作為電池生產(chǎn)、使用過程中的關(guān)鍵工序關(guān)系到電池的品質(zhì)和質(zhì)量，并直接影響電池的生產(chǎn)成本和使用壽命。

一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

整個系統(tǒng)主要由四部分組成：整流柜、貯能電池組、化成模塊(雙向DC/DC)、集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)組成。

①整流柜

主要用于貯能電池組的初充和日常的補(bǔ)充充電。

②貯能電池組

用于平衡各化成單元之間充/放電過程對400V直流母線造成的沖擊(類似于水池的作用)可由成本較低的或不同型號的電池組成。

③化成模塊(雙向DC/DC)

在電池單元充電時以單元取直流母線電源用于充電。放電時DC/DC換能器將單體電池的能量轉(zhuǎn)換成高于400V的能量，通過母線給貯能電池組充電。DC/DC單元為最新型的高頻高效模塊，效率為94~96%，可節(jié)省放電過程造成的電能損失節(jié)能約90~93%。

④集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

PC1至PCN用于各化成/檢測工作的操作控制及數(shù)據(jù)采集。PC0是主控機(jī)(可以是幾臺)用于對整個生產(chǎn)車間的管理，對各工作之間的工況轉(zhuǎn)換實(shí)行模糊控制，保證整個生產(chǎn)流程順暢，并作數(shù)據(jù)處理的保存、備案。

1.工作說明：

單只電池充電時由電網(wǎng)提供能量，經(jīng)整流柜和化成模塊(雙向DC/DC)為電池進(jìn)行恒流充電;放電時將電池的能量經(jīng)化成模塊(雙向DC/DC)對貯能電池組進(jìn)行放電

系統(tǒng)更重要的優(yōu)勢在于多只電池同時進(jìn)行化成，其中部分電池充電，部分電池放電。為此設(shè)計(jì)了一條直流母線，用于連接整流柜和多個化成模塊(雙向DC/DC)。 這樣能量就可以通過直流母線在不同電池單體之間流動， 避免每個放電模塊單獨(dú)設(shè)計(jì)回饋能量的電路，可提高整個設(shè)備的效率，同時降低設(shè)備成本。此外，在控制系統(tǒng)的控制下，采用能量平衡的控制策略，通過控制不同充放電模塊的工作時間， 盡可能使充電能量等于放電能量， 大部分能量只在直流母線和單體電池之間流動不經(jīng)過電網(wǎng)，整流柜從電網(wǎng)轉(zhuǎn)化的能量和貯能電池組貯存的能量來平衡充放電的能量差，可進(jìn)一步提高效率。

直流母線的電壓選定為 400V，主要目的高電壓直流母線設(shè)計(jì)對于化成模塊(雙向DC/DC)同時并聯(lián)在直流母線上很重要，直流母線電壓越高線路損耗越小，但也不宜太高，否則會帶來選擇電力電子器件的困難和雙向DC/DC壓比或降壓比太大的問題。

集中式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是針對電池化成工藝要求，在電池化成過程中需要利用少量人員監(jiān)控大量的化成電池，為提高效率和降低勞動強(qiáng)度必須采用集中式的管理和監(jiān)控。 在電池化成中電池充電或放電電量數(shù)據(jù)非常關(guān)鍵， 是鑒別電池好壞和電池分組篩選的依據(jù)，必須通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)庫來存儲這些數(shù)據(jù)。

控制系統(tǒng)和化成模塊(雙向DC/DC)以及整流柜之間采用CAN通信網(wǎng)絡(luò)。目前，CAN網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用。

二、整流柜設(shè)計(jì)

采用主流的LLC諧振軟開關(guān)整流器電路，充電效率大于96%。輸入總諧波畸變小于 5%。整流柜的作用是補(bǔ)充電池化成過程中的電量損耗。當(dāng)放電能量大于充電能量時，母線電壓會升高，母線會對貯能電池組進(jìn)行充電。當(dāng)充電能量大于放電能量時，母線電壓會降低，整流器吸收電網(wǎng)能量以維持母線電壓穩(wěn)定。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 2 所示。