李 參

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院,武漢 430070,E-mail: licanhx2022@163.com;2.漯河食品職業(yè)學(xué)院 汽車(chē)工程系,河南 漯河 462300)

循環(huán)壽命長(zhǎng)、高能量、工作電壓高等均是鋰離子電池的優(yōu)良特性,因而在多個(gè)領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用[1]。電池成組技術(shù)常見(jiàn)于車(chē)用動(dòng)力電池系統(tǒng)構(gòu)建當(dāng)中,由于汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)龐大,而單個(gè)鋰離子電池僅能達(dá)到2.5 V～4.2 V的電壓值,電池組構(gòu)成所需的并聯(lián)電池多達(dá)幾十乃至成百上千節(jié)[2]。個(gè)體差異性也隨著數(shù)量不斷增加的電池?cái)?shù)量而產(chǎn)生,成組使用壽命及性能的影響因素就包含電池組一致性問(wèn)題,這種情況下會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)汽車(chē)使用安全性及續(xù)航能力受到嚴(yán)重影響。各單體工作狀態(tài)在激勵(lì)電流相同的情況下產(chǎn)生的變化都各不相同,性能差異也因此越發(fā)顯著,長(zhǎng)期以來(lái)正反饋效果逐漸產(chǎn)生[3-4]。

由于一致性問(wèn)題始終存在于電池成組過(guò)程當(dāng)中,需采取一定干預(yù)措施,目前最常用的方法就是電池均衡法。通常將容量大小進(jìn)行對(duì)比,單個(gè)電池高于電池組[5]。為了確保儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及運(yùn)行壽命,必須將充放電功率信息快速獲取,及時(shí)干預(yù)充放電過(guò)于頻繁性或過(guò)度等情況,充電速度的提高需要盡可能提高可用功率,電池在充電過(guò)程中的老化程度將得到有效減緩[6-7]。曹朔等[8]則在升降壓模塊的基礎(chǔ)上構(gòu)建分層均衡電路拓?fù)?與傳統(tǒng)分層均衡策略進(jìn)行研究對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在平均時(shí)間效率方面,在三種電池狀態(tài)下這種均衡策略比傳統(tǒng)策略約提高30.4%。徐鵬等[9]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證串聯(lián)電池組一致性可在軟開(kāi)關(guān)DC2C均衡電路的作用下得到有效提高,該電路基礎(chǔ)器件為諧振變換器,為開(kāi)關(guān)損耗大、器件數(shù)量多等存在于以電感儲(chǔ)能為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)均衡電路中的難題提出了有效解決方案。李卿鵬等[10]以開(kāi)關(guān)矩陣為基礎(chǔ),結(jié)合電源儲(chǔ)能蓄電池工作特性,完成了主被動(dòng)混合均衡拓?fù)涞臉?gòu)建。最終經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該拓?fù)湟卓刂?、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且具有較高可靠性,具有應(yīng)用價(jià)值。

為減少電池充電過(guò)程中的能量損耗、提高均衡速度,于仲安等[11]則結(jié)合可重構(gòu)均衡電路以及Buck-Boost均衡電路,并以開(kāi)關(guān)電感為基礎(chǔ)構(gòu)建可重構(gòu)Buck-Boost充電均衡拓?fù)?在制定均衡策略時(shí)充分考慮到鋰電池荷電狀態(tài)(SOC)分布情況。鄭征等[12]結(jié)合自適應(yīng)交錯(cuò)控制策略以及主動(dòng)均衡拓?fù)?后者以三繞組變壓器作為基本元器件,提出的多類(lèi)型均衡方案能高效且快速完成電池組均衡,始終維持均衡電路工作于最佳狀態(tài),可行性較高。吳忠強(qiáng)等[13]在多鋰電池組SOC均衡過(guò)程中應(yīng)用鋰電池荷電狀態(tài)(SOC)估計(jì)方法,該方法能實(shí)現(xiàn)突變狀態(tài)的快速跟蹤,使得充放電過(guò)程中電池組容量不一致性得到有效降低,同時(shí)還能按照1%的標(biāo)準(zhǔn)范圍控制電池組離散度,電池使用壽命及容量利用率均得到顯著提高。王鹿軍等[14]為提高電池充電狀態(tài)測(cè)量估計(jì)的精準(zhǔn)性,在電池充電末期采用被動(dòng)均衡,將反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng),為保證均衡效率提高,采用主動(dòng)均衡方式同時(shí)減少元器件,這種控制策略可實(shí)現(xiàn)雙閾值動(dòng)態(tài)式主被動(dòng)均衡。

綜上所述,采用電池均衡方法能有效干預(yù)電池成組一致性問(wèn)題。本文在此基礎(chǔ)上以電池組壽命提高為目標(biāo),完成均衡方案的設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該策略在電池組一致性提升方面具有顯著成效,可行性較高。

1 研究對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)選取的測(cè)試對(duì)象為18650三元鋰電池,詳細(xì)參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。首先對(duì)電池的充放電循環(huán)特性進(jìn)行測(cè)試,將電池性能標(biāo)定設(shè)備分別為Chroma與Neware,為避免老化結(jié)果受溫度因素影響,按照恒定溫度值25 ℃的標(biāo)準(zhǔn)使用Partner恒溫箱進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)。

表1 電池單體基本參數(shù)

電池中的鋰在其放電過(guò)程中將產(chǎn)生鋰離子,從鋰電池陽(yáng)極轉(zhuǎn)移至陰極。從電極本質(zhì)來(lái)看,相比于金屬鋰電池,鋰電池中的鋰離子電極無(wú)變化。通常,石墨晶體、二氧化鋰分別為鋰電池的陽(yáng)極、陰極材料。電池在充電過(guò)程中,鋰離子和電子由鋰原子在陰極電離產(chǎn)生,陽(yáng)極鋰原子由電子與向陽(yáng)極移動(dòng)靠近的鋰離子合成。電池在放電過(guò)程中,鋰離子和電子則在石墨晶體陽(yáng)極表面由鋰原子電離而成,鋰原子在陰極合成。

2 工作區(qū)間對(duì)電池老化的影響

通常情況下,SOC均值、放電深度(ΔDOD)參數(shù)用于判斷循環(huán)SOC區(qū)間,此時(shí)電池處于工作狀態(tài),對(duì)電池老化作用機(jī)制在不同ΔDOD條件下進(jìn)行分析[15],表2給出20%、40%、60%ΔDOD電池循環(huán)下獲取的測(cè)試矩陣。

表2 電池老化測(cè)試矩陣

標(biāo)定電池容量需等效循環(huán)實(shí)現(xiàn),間隔次數(shù)為50,此時(shí)為容量及性能測(cè)試環(huán)節(jié),還需對(duì)電池性能在多次循環(huán)處理后狀態(tài)改變情況進(jìn)行對(duì)比分析[16]。在標(biāo)定電池容量時(shí),首先需要設(shè)置滿充標(biāo)準(zhǔn),要求電池充電狀態(tài)保持在25 ℃,電壓最大值為4.2 V,完成這一步驟后需要在10 min內(nèi)靜置電池,該階段需要對(duì)其進(jìn)行放電操作,記錄電池釋放電量值,此過(guò)程需保持電流值為1C,直至電壓下降至2.55 V。

如圖1所示,利用歸一化處理不同循環(huán)次數(shù)下相對(duì)電池初期容量實(shí)際放電容量測(cè)試值。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn),從電池容量衰減速率來(lái)看,經(jīng)循環(huán)處理后各工作區(qū)間呈現(xiàn)出的變化規(guī)律各不相同。最慢單體容量衰減特性在55%～15%SOC區(qū)間呈現(xiàn),這意味著最緩慢老化現(xiàn)象在SOC區(qū)間中間偏低處出現(xiàn)。在分析對(duì)比循環(huán)次數(shù)相同的結(jié)果發(fā)現(xiàn),電池容量衰減速率隨著ΔDOD的提升而逐漸加快。

3 電池組壽命均衡策略

3.1 最優(yōu)壽命均衡策略

SOC循環(huán)區(qū)間內(nèi)各單體狀態(tài)為自由配置,為確保壽命均衡狀態(tài)始終維持,所以在實(shí)際調(diào)節(jié)過(guò)程中需要確保ΔDOD在循環(huán)期間最大為100%。將50輛電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行情況作為研究對(duì)象,參考上述結(jié)果分析一年內(nèi)運(yùn)行數(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)計(jì)處理得到了如圖2所示的不同ΔDOD條件下電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行頻率間存在的差異情況。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),ΔDOD在電動(dòng)汽車(chē)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的產(chǎn)生并不頻繁,在80%以?xún)?nèi)ΔDOD達(dá)到92%的占比,因此設(shè)置下限指標(biāo)為80%ΔDOD,對(duì)壽命均衡狀態(tài)下電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航里程的SOC最優(yōu)范圍展開(kāi)全面性評(píng)估,將20%作為放電起點(diǎn)SOC調(diào)節(jié)區(qū)間。

▲圖2 不同ΔDOD出現(xiàn)頻率分布

FC為循環(huán)容量衰減系數(shù),由各測(cè)試數(shù)據(jù)擬合所得,具體數(shù)值可見(jiàn)圖3。通過(guò)觀察得到,容量衰減系數(shù)FC在SOC均值達(dá)到最高值時(shí)也達(dá)到最大,FC隨著ΔDOD的增大而不斷提高,結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)循環(huán)處理過(guò)程中,容量衰減在高ΔDOD與高SOC區(qū)間增快。單體電池最佳區(qū)間對(duì)應(yīng)的SOC均值和ΔDOD分別為40%、80%。

▲圖3 容量衰減系數(shù)FC與工作區(qū)間關(guān)系

綜合對(duì)比以上研究結(jié)果,發(fā)現(xiàn)電池老化測(cè)試速率在不同區(qū)間內(nèi)的變化情況各不相同。最差單體SOC在循環(huán)充放電過(guò)程中需要控制于80%以下,保證放電效果最佳,與最差單體容量相比,衰減速率更慢,還需控制單體電池在組內(nèi)一致程度相同。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文針對(duì)壽命均衡性能對(duì)4串電池組的方案進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,在此基礎(chǔ)上完成一致性變化規(guī)律的優(yōu)化,在此過(guò)程中“均衡”性能作為主要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。首先將電池組分成2組試樣,第一組主要模擬不同單體之間存在的差異性,第二組則是分析單體間梯度分布情況,4串電池組初期容量見(jiàn)表3。

表3 壽命均衡試驗(yàn)各單體初始容量

在對(duì)第一組壽命進(jìn)行均衡測(cè)試的過(guò)程中,電池組循環(huán)次數(shù)為150次,電池容量標(biāo)定周期為50次,每次循環(huán)后各單體電池容量數(shù)值可通過(guò)圖4獲取。

▲圖4 壽命均衡第一組試驗(yàn)結(jié)果

更差或更優(yōu)單體容量與其他單體相比并非在各條件下均產(chǎn)生,實(shí)際使用電池組的過(guò)程中,單體容量更差、某幾節(jié)電池容量狀態(tài)相似等情況都有可能產(chǎn)生,況且在計(jì)算估計(jì)電池容量時(shí)存在多種干擾因素,必然會(huì)導(dǎo)致結(jié)果偏差,通常按照SOC為100%、80%的標(biāo)準(zhǔn)分別設(shè)置其余單體、最差單體的放電起點(diǎn)。

由于電池容量分散情況易出現(xiàn)在第二組試驗(yàn)過(guò)程中,壽命均衡策略的選取要考慮動(dòng)態(tài)性,電池組的長(zhǎng)時(shí)間尺度保持一致。標(biāo)定容量的周期為50次,容量過(guò)均衡問(wèn)題很容易因?yàn)殚g隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而產(chǎn)生,這種情況下將難以保證精準(zhǔn)調(diào)節(jié)單體工作區(qū)間。各單體電池容量經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)在測(cè)試期間的變化情況如圖5所示。通過(guò)觀察可得,循環(huán)測(cè)試可有效改善電池組的一致性,同時(shí)各單體電池容量經(jīng)250次循環(huán)處理之后幾乎相同,均衡效果表現(xiàn)較為優(yōu)異,容量一致性減至0.001 2,縮減0.005 1。

電池組惡化循環(huán)問(wèn)題可通過(guò)本文提出的壽命均衡策略得到有效消除,同時(shí)能優(yōu)化處理電池組容量一致性問(wèn)題,在長(zhǎng)時(shí)間尺度范圍內(nèi)累計(jì)放電量可達(dá)到最大。

▲圖5 壽命均衡第二組試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

(1) 最慢單體容量衰減特性在55%～15%SOC區(qū)間呈現(xiàn),電池容量衰減速率隨著ΔDOD的提升而逐漸加快。

(2) 容量衰減系數(shù)FC在SOC均值達(dá)到最高值時(shí)達(dá)到最大,FC隨著ΔDOD的增大而不斷提高,確定單體電池最佳區(qū)間對(duì)應(yīng)的SOC均值和ΔDOD分別為40%、80%。

(3) 循環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試可有效改善電池組的一致性,同時(shí)各單體電池容量經(jīng)250次循環(huán)處理之后幾乎相同,均衡效果表現(xiàn)較為優(yōu)異,容量一致性減至0.001 2,縮減0.005 1。