胡曉敏，王順利，尚麗平，李占鋒，劉力舟

(西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010)

航空用動力鋰電池組工作特性分析

胡曉敏，王順利，尚麗平，李占鋒，劉力舟

(西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010)

針對鋰電池成組后使用壽命縮短、安全性能降低等問題，對成組后的鋰電池的工作特性做出研究分析。對航空用鋰電池進行建模并基于擴展卡爾曼濾波算法估計其剩余電量。通過對電池成組前后進行常溫下9 A充電、45 A放電以及循環(huán)充放電等實驗測試，繪制出鋰電池組及單體的性能曲線圖，分析鋰電池組的工作特性。實驗結(jié)果表明：成組后鋰電池的工作特性不同于單體的特性。該研究能更好地推進鋰電池的成組應用，同時為航空用動力鋰電池組的檢測維護和健康管理提供很好的研究基礎和依據(jù)。

航空；擴展卡爾曼濾波；剩余電量；鋰電池組；工作特性；充放電

隨著電動汽車、航空、通信等領域的發(fā)展需求，可重復充電的鋰電池憑借其比能量高、質(zhì)量輕、體積小、成熟度和成本優(yōu)勢得到廣泛應用。操作系統(tǒng)復雜程度的提高，使得鋰電池從單體到成組的技術也隨之發(fā)展。單個電池是遠遠不能滿足系統(tǒng)供能需求的，因此需要將電池串、并聯(lián)組合使用。鋰電池的性能，通常是指單體鋰電池的性能[1]。鋰電池成組后不同于單體，其性能大打折扣。出現(xiàn)組內(nèi)不均衡、散熱性不好、安全性降低、壽命縮短[2]等問題。所以，鋰電池成組應用制約著電動汽車、航空航天等新能源產(chǎn)業(yè)領域的發(fā)展。準確地預測鋰電池，尤其是鋰電池組的性能和壽命仍是一個難點[3]。從20世紀90年代開始，隨著計算能力和軟件技術的提高，那時的預測能力還不是很成熟，但很多的研究學者進行了一些先進研究實驗為后面的研究奠定了基礎。張華輝，齊鉑金等對鋰電池組合前后的特性做了研究，考慮到成組前后電池的容量、SOC等的變化[1]；韓智強，姜久春等對鋰離子動力電池電路模型的頻率特性進行了仿真分析，為鐵路客車電池的建模提供依據(jù)[4]；P.Hong-Sun,K.Chong-Eun等對混合動力車鋰電池組的充電均衡模塊進行了研究[5]；Xiaosong Hu,Shengbo Li等人對鋰電池不同的等效電路模型做了研究分析，為鋰電池的后續(xù)研究提供了研究依據(jù)[6]，等等。此外，國內(nèi)外很多企業(yè)和高校及研究所都對鋰電池組的管理和維護做了相關的研究。例如，曼徹斯特大學、美國通用汽車公司、日本豐田汽車和松下電器公司、韓國LG化學公司、中國比亞迪有限公司、清華大學、大連化物所等。

文中首先對鋰電池進行建模并基于擴展卡爾曼濾波算法估計其剩余電量，接著針對航空用7ICP系列的鋰電池組，基于鋰電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)平臺對鋰電池成組前后進行充放電實驗，研究分析實驗結(jié)果得出鋰電池組的工作特性。

1 鋰電池化學特性

鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。實驗選用的7ICP系列鋰電池組由鋰離子蓄電池單體組成的。其正極材料為LiCoO2，負極材料為C[7]。

正極系統(tǒng)的放電、充電反應：

負極系統(tǒng)的放電、充電反應：

整個系統(tǒng)的反應方程：

實驗選用的7ICP系列電池組額定容量為45 Ah，單體電壓為4.2 V，工作范圍為3.0～4.2 V。在BMTS鋰電池狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實驗平臺上對鋰電池成組前后進行充放電實驗。

2 剩余電量估算

卡爾曼濾波適用于狀態(tài)向量、系統(tǒng)輸入與觀測向量之間是線性關系的系統(tǒng)。而擴展卡爾曼濾波法則將系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)函數(shù)線性化，進而結(jié)合卡爾曼濾波基本算法進行狀態(tài)估計，因此擴展卡爾曼濾波適用于非線性系統(tǒng)[8]。

以電池剩余電量為狀態(tài)參數(shù)xk，電流ik為控制量建立狀態(tài)方程，以電池電壓yk為觀測量建立觀測方程?；诳柭鼮V波算法的擴展卡爾曼濾波算法流程如下所示：

此計算流程通過Matlab軟件仿真可得到電池剩余電量的估算結(jié)果，結(jié)合常溫下電池放電實驗驗證，如圖1所示，實驗結(jié)果驗證了該估計算法的可行性和精確性。

圖1 SOC對比分析圖

3 鋰電池組充放電實驗及分析

3.1 充電實驗

充電采用先恒流充電后恒壓充電。恒流充電電流為9.0 A，當串聯(lián)電池組中單體電壓的最高端電壓為4.15 V(恒壓點)時，轉(zhuǎn)為恒壓充電。當充電電流小于0.4 A時停止充電。充電電壓曲線如圖2所示。

圖2 充電電壓曲線

采用相同的充電控制策略，對比兩條曲線可以看出，單體電池的電壓和電池組電壓的變化趨勢整體上是一致的，但電池組電壓的上升要緩慢得多。先恒壓充電，充電初期電池組和單體的電壓均迅速上升，但電池組電壓的曲線斜率小，電壓上升緩慢，到達轉(zhuǎn)折點的時間滯后于單體電池；充電中期，電池組和單體電壓均趨于平緩，但電池組電壓的曲線波動相對大；充電后期，單體電池的電壓逐漸趨于穩(wěn)定，而電池組的電壓還在繼續(xù)上升即趨于穩(wěn)定需要更長的時間。從實驗結(jié)果可以明顯得知，鋰電池成組后其充電工作特性不同于單體，充電特性有所下降。

3.2 放電實驗

放電采用45 A大電流恒流串聯(lián)放電。當檢測到電池組總電壓降至21 V或至少有一只單體電壓降至3.0 V時，停止放電。放電電壓曲線如圖3所示。

圖3 放電電壓曲線

對比兩條曲線可以看出，兩者的變化走向基本上是一致的，放電初期和末期電池組和單體的放電速率均較大，中期比較平緩。放電初期，電池組的波動相對單體較大；放電中期，電池組與單體的放電速率不一致，電池組的曲線變換相對緩慢；放電后期，電池組的曲線轉(zhuǎn)折點相對滯后，單體的曲線變化相對陡峭，放電速率快。結(jié)果表明，鋰電池在成組以后，其放電特性不同于單體的特性，特別是在放電初期和末期。

3.3 循環(huán)充放電實驗

循環(huán)充放電實驗中充電-擱置-放電為一個實驗周期。實驗前先對電池組進行放電處理，擱置一段時間使其溫度、活性恢復正常后再進行循環(huán)充電實驗。充電過程的控制同第一節(jié)充電實驗；充電完成后再進行擱置處理；之后進行放電實驗，放電過程的控制同第二節(jié)放電實驗，以此為周期反復進行實驗，測得實驗數(shù)據(jù)。充放電電壓曲線如圖4所示。

圖4 充放電電壓曲線

本文選取其中一個周期來加以分析。由圖可以看出，電池組與單體的曲線走勢基本上是一致的。從充電的三個階段來看，電池成組后較單體電池來說充電速率慢、時間長；擱置狀態(tài)下，單體電池的電壓基本上保持不變，而電池組的電壓還有上下的浮動，應該擱置更長的時間；放電過程中，放電初期的一小段時間內(nèi)電池組的變化相對較快、波動較大，隨后趨于緩慢，以致在放電中期時其放電速率相對單體電池慢，放電時間長，進入放電末期的時間滯后于單體電池。結(jié)果表明，鋰電池成組后對電池的充電、擱置、放電特性產(chǎn)生影響，使其工作特性不同于單體。

4 結(jié)論

鋰電池的性能一般是指單體電池的特性。當且僅當電池組內(nèi)的各單體電池完全一致時，電池組才表現(xiàn)出單體電池的特性?；跀U展卡爾曼濾波算法實現(xiàn)對電池剩余電量的估算，并通過實驗驗證了其可行性和精確性。通過對鋰電池單體及電池組的充放電實驗的研究，得出鋰電池成組后表現(xiàn)出與單體不同的充放電特性，表現(xiàn)在充放電速率變慢、時間變長等。鋰電池一般是成組使用來提供動力源，因此鋰電池的成組技術關乎到消費類電子、通信、空間、混合動力源和軍事應用等行業(yè)的發(fā)展。該研究很好地促進了鋰電池成組特性研究的發(fā)展，為航空用動力鋰電池組的檢測維護和健康管理提供了研究依據(jù)。

[1]張華輝，齊鉑金，袁學慶，等.鋰離子電池組合前后的特性研究[J].電池，2007，37(4)：294-296.

[2]王震坡，孫逢春，張承寧.電動汽車動力蓄電池組不一致性統(tǒng)計分析[J].電源技術，2003，27(5)：438-441.

[3]MATTHIEU D,NICOLAS V,YANN B.From single cell model to batter y pack simulation for Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2009,186:500-507.

[4]韓智強，姜久春，孫丙香，等.鋰離子動力電池電路模型的頻率特性分析[J].電源技術，2015，39(2)：268-273.

[5]HONG-SUN P,CHONG-EUN K,CHOL-HO K.A modularized charge equalizer for an HEV lithium-ion battery string[J].IEEE,2009,5(56):1464-1477.

[6]HU X S,LI S B,PENG H.A comparative study of equivalent circuit models for Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2012,198:359-367.

[7]王志福，彭連云，孫逢春.電動車用鋰離子動力電池充放電特性[J].電池，2003，33(3)：167-168.

[8]夏超英，張術，孫宏濤.基于推廣卡爾曼濾波算法的SOC估算策略[J].電源技術，2007，31(5)：414-417.

Work characteristics analysis of aeronautical power lithium battery pack

HU Xiao-min,WANG Shun-li,SHANG Li-ping,LI Zhan-feng,LIU Li-zhou
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

For the problems of the shorten service life and the reduced security,the work characteristics of the lithium batteries after grouped was studied.The aeronautical lithium battery was modeled and the remaining capacity was estimated based on the extended Kalman filter.Charge-discharge experiments at normal temperature were done,including 9.0 A charge,45 A discharge and cycle test.The performance curve graphs of lithium battery pack and cell were drawn,and the working characteristics of the lithium battery pack were analyzed.The experiment results show that there are difference between the lithium batteries after grouped and cell.The research can better promote the group application for lithium batteries and provide research foundation and basis for the health management and maintenance of aeronautical lithium power battery pack.

aeronautical;extended Kalman filter;remaining capacity;lithium battery pack;work characteristics;charge-discharge

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1554-02

2016-01-18

四川省創(chuàng)新訓練項目(201410619004)；四川省科技支撐計劃(2014GZ0078)；光電檢測技術與應用項目(12zd1105)

胡曉敏(1989—)，女，河北省人，碩士生，主要研究方向為蓄電池狀態(tài)檢測與控制方向。