戴福華

摘 要：本文試就電動(dòng)汽車動(dòng)力電池個(gè)別電芯的衰減速率過快和充/放電特性不一致對(duì)整個(gè)電池組的循環(huán)使用壽命和可用容量進(jìn)行分析，指出了故障診斷與排除的方法。并重點(diǎn)分析提出用電芯替換來提高串聯(lián)電芯一致性的方法從而提高動(dòng)力電池組的實(shí)際可用容量和循環(huán)使用壽命。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力電池 電芯 電池組 衰減速率

引 言

鋰電池體積密度高、能量密度高、自放電低、工作電壓高、無記憶效應(yīng)且無污染等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力源。一般為滿足電動(dòng)汽車功率驅(qū)動(dòng)需要將鋰電池電芯串聯(lián)以提高電壓等級(jí)。

串聯(lián)電池組存在循環(huán)使用壽命下降的問題，一在串聯(lián)電池組的實(shí)際應(yīng)用中，個(gè)別電芯的衰減速率明顯快于其他電芯，從而影響該電芯所在電池組的性能;二各電芯的充/放電特性不一致，則成充/放電時(shí)電量的不平衡，造成對(duì)過充電或過放電的電池?fù)p害，從而影響整個(gè)電池組的使用壽命，而且隨著充電次數(shù)的增加，實(shí)際可用容量還將進(jìn)一步下降。

顯然，如何維持動(dòng)力電池組的可用容量和延長使用壽命是目前急需解決的重要問題。以下分析某電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組可用容量驟然下降的現(xiàn)象，指出“短板電芯”是導(dǎo)致可用容量下降的原因之一，提出用電芯替換方法來提高串聯(lián)電芯的一致性水平。

1.某動(dòng)力電池組循環(huán)壽命測(cè)試分析

1.1 動(dòng)力電池組循環(huán)壽命測(cè)試方案

動(dòng)力電池組主要由24節(jié)磷酸鐵鋰電池電芯、電池管理系統(tǒng)以及電連接器等組成。每節(jié)磷酸鐵鋰電芯參數(shù)為3.2V60Ah。

使用循環(huán)充放電測(cè)試儀對(duì)動(dòng)力電池組進(jìn)行循環(huán)壽命測(cè)試，試驗(yàn)方法和步驟如下：（1）20℃下靜置10min，以87.6V電壓30A電流恒流充電，然后恒壓充電至電流為3A時(shí)，充電停止;保護(hù)電壓3.7V，當(dāng)電芯電壓超過3.7V時(shí)充電立即停止;（2）靜置10min，5A電流恒流放電至2.8V;（3）重復(fù)步驟（1）-（2），循環(huán)至初始容量的80%左右，統(tǒng)計(jì)循環(huán)壽命。

記錄的過程數(shù)據(jù)包含：時(shí)間、端電壓、電流、溫度、充放電容量、壓差、24 節(jié)電芯各自的電壓。

1.2 動(dòng)力電池組循環(huán)壽命測(cè)試結(jié)果

電池的循環(huán)使用壽命是評(píng)價(jià)電池性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，指以電池充電和放電1次為1個(gè)循環(huán)，按照一定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)電池容量（一般為放電容量）降到某一規(guī)定值（一般規(guī)定為初始容量的80%）以前，電池經(jīng)歷的充/放電循環(huán)總次數(shù)。

根據(jù)以上測(cè)試方案，電池組的初始容量為60Ah，當(dāng)電池組循環(huán)過程中低于48Ah時(shí)，停止測(cè)試，統(tǒng)計(jì)循環(huán)次數(shù)為159次。

循環(huán)壽命測(cè)試曲線如圖1所示。電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組循環(huán)壽命159次后，放電容量已經(jīng)下降到47.9Ah，首次跌破48Ah（初始容量的80%），所以此動(dòng)力電池組的循環(huán)壽命為158次，此循環(huán)壽命遠(yuǎn)低于平均次數(shù)，判斷此電池組為異常電池組。

2.動(dòng)力電池組循環(huán)壽命短板效應(yīng)分析

2.1 短板效應(yīng)。短板效應(yīng)又稱木桶原理，即一個(gè)水桶無論有多高，它盛水的高度取決于其中最短的那塊木板，要想提高木桶的容量，就應(yīng)該設(shè)法加高最短的那塊木板的高度，這是最有效也是惟一的途徑。該原理形象地描述了怎樣確定一個(gè)整體的實(shí)力以及怎樣提高整體實(shí)力的問題，已廣泛應(yīng)用在企業(yè)管理、人力資源和經(jīng)濟(jì)管理等方面。

在串聯(lián)電池組的實(shí)際應(yīng)用中，由于電芯的不一致性，為了保證電芯不過充或過放，對(duì)每個(gè)電芯設(shè)置了統(tǒng)一的充電及放電保護(hù)電壓。所以當(dāng)某個(gè)電芯電壓達(dá)到了保護(hù)電壓時(shí)，動(dòng)力電池組即停止充電或放電過程。

2.2 動(dòng)力電池組循環(huán)壽命衰減研究。動(dòng)力電池組循環(huán)充/放電過程中，對(duì)之前159次充電過程中最早達(dá)到充電保護(hù)上限電壓的電芯進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下。

動(dòng)力電池組在做循環(huán)壽命測(cè)試中，24節(jié)電芯中的第2，5，10，17，23節(jié)到達(dá)充電保護(hù)上限電壓的次數(shù)分別為7，10，240，11，8次，第10節(jié)到達(dá)充電保護(hù)上限電壓的次數(shù)占總次數(shù)的86.16%。

根據(jù)“短板效應(yīng)”分析，24節(jié)電芯中的第10節(jié)是電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組循環(huán)壽命縮短的主要原因，將這樣的電芯稱為“短板電芯”。通過更換“短板電芯”，提高電芯一致性，有望提升動(dòng)力電池組的可用容量。

3.電芯替換技術(shù)

電芯替換技術(shù)主要解決電池組在電芯替換時(shí)，替換的電芯與原電池組的匹配問題，匹配性的好壞直接決定了替換后電池組的使用壽命。

3.1 電池配組系統(tǒng)。電池配組系統(tǒng)的工作流程如下：（1）用于替換的電芯（可以是新電芯也可以是舊電芯），通過電芯性能測(cè)試系統(tǒng)，獲得該電池的開路電壓、容量、充/放電曲線等信息，并錄入到電芯模型庫中，該模型庫中存有所有擬用于替換的電芯信息;（2）待配組的電池組通過電池組性能檢測(cè)系統(tǒng)，獲得電池組內(nèi)所有電芯的開路電壓、容量、充/放電曲線等信息，準(zhǔn)確挑出需要更換的“短板電芯”，同時(shí)根據(jù)該箱電池中其他電芯的真實(shí)性能和容量整體評(píng)估的結(jié)果，給出需要進(jìn)行匹配的電芯需求信息;（3）通過電芯的開路電壓、容量、充/放電曲線的比對(duì)，在電芯模型庫中，找出匹配度較好的電芯，測(cè)試通過則替換過程完成。

3.2 電池組性能檢測(cè)。電池組性能檢測(cè)系統(tǒng)主要是有2個(gè)功能：通過對(duì)電池組內(nèi)所有電芯的開路電壓、容量、充/放電曲線等信息查詢，準(zhǔn)確挑出需要更換的“短板電芯”;驗(yàn)證重新裝配后的電池組是否匹配良好。

檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成的便捷式設(shè)備主要由程控充電機(jī)、程控負(fù)載、無線采集系統(tǒng)、總控制器組成。根據(jù)電池組性能檢測(cè)設(shè)備原理系統(tǒng)通過對(duì)電池組中BMS（電池管理系統(tǒng)）的通信獲得電芯信息。

以替換前后動(dòng)力電池組為例，電池組性能檢測(cè)系統(tǒng)開啟，對(duì)電池組各單體電芯到達(dá)放電截止電壓點(diǎn)時(shí)（截止電壓2.8V）電壓、壓差（放電截止時(shí)單體電壓最高值和最低值差）、充/放電容量等信息進(jìn)行檢測(cè)。替換前電池組放電截止時(shí)所有單體電芯的電壓信息見表1。

檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，第10節(jié)電芯的充電容量為51.54Ah，放電容量為52.34Ah，初始放電容量為60Ah，充/放電值均比整組低，放電時(shí)尤為明顯，放電值略低0.05V左右，說明充電和放電容量都不足，此時(shí)整組電池容量為初始容量的87.23%，第10節(jié)單體放電時(shí)最先到達(dá)放電截止電壓，且壓差為0.344V，不符合壓差不超過0.22V的規(guī)定，故第10節(jié)電芯屬于短板電芯，此時(shí)的電池組需要維護(hù)。

將第10節(jié)電芯替換后，電池組放電截止時(shí)所有單體電芯的電壓信息見表2。替換后電池組容量57.58Ah，壓差0.213V?；谏鲜鲅芯刻岢鎏鎿Q指標(biāo)，即電池容量下降為初始容量的90%～92%，壓差達(dá)到0.22V左右時(shí)，要對(duì)電池進(jìn)行維護(hù)，參考值以容量值為主、壓差值為輔。

4.電芯替換后循環(huán)壽命試驗(yàn)驗(yàn)

證重組匹配成功后，按照測(cè)試方案繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖所示。

在電芯替換前，針對(duì)某一電池組的循環(huán)測(cè)試過程中，因其容量衰減速率較快，在其循環(huán)到277次，容量降至52.34Ah（約為初始容量的87%）。對(duì)其采用電芯替換措施后，其放電容量立刻得到提升，當(dāng)循環(huán)次數(shù)為1062次，放電容量為47.99Ah（約為初始容量的80%），表明電池組循環(huán)壽命為1061次，說明電芯替換方法能有效延長電池組壽命。

電芯替換技術(shù)可以提高電芯的一致性，保持電池組的可用容量和延長循環(huán)使用壽命。尤其在部分電池組中存在“短板電芯”導(dǎo)致可用容量驟降及壽命縮短的情況下，維護(hù)效果更加顯著。隨著電動(dòng)汽車的推廣，基于電芯替換的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組維護(hù)技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和廣闊的應(yīng)用前景。

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