三元鋰電池組最優壽命均衡策略設計及試驗驗證

李 參

(1.華中農業大學 工學院,武漢 430070,E-mail: licanhx2022@163.com;2.漯河食品職業學院 汽車工程系,河南 漯河 462300)

循環壽命長、高能量、工作電壓高等均是鋰離子電池的優良特性,因而在多個領域內得到廣泛應用[1]。電池成組技術常見于車用動力電池系統構建當中,由于汽車動力系統龐大,而單個鋰離子電池僅能達到2.5 V～4.2 V的電壓值,電池組構成所需的并聯電池多達幾十乃至成百上千節[2]。個體差異性也隨著數量不斷增加的電池數量而產生,成組使用壽命及性能的影響因素就包含電池組一致性問題,這種情況下會導致電動汽車使用安全性及續航能力受到嚴重影響。各單體工作狀態在激勵電流相同的情況下產生的變化都各不相同,性能差異也因此越發顯著,長期以來正反饋效果逐漸產生[3-4]。

由于一致性問題始終存在于電池成組過程當中,需采取一定干預措施,目前最常用的方法就是電池均衡法。通常將容量大小進行對比,單個電池高于電池組[5]。為了確保儲能系統的經濟性及運行壽命,必須將充放電功率信息快速獲取,及時干預充放電過于頻繁性或過度等情況,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上構建分層均衡電路拓撲,與傳統分層均衡策略進行研究對比,發現在平均時間效率方面,在三種電池狀態下這種均衡策略比傳統策略約提高30.4%。徐鵬等[9]通過實驗驗證串聯電池組一致性可在軟開關DC2C均衡電路的作用下得到有效提高,該電路基礎器件為諧振變換器,為開關損耗大、器件數量多等存在于以電感儲能為基礎的傳統均衡電路中的難題提出了有效解決方案。李卿鵬等[10]以開關矩陣為基礎,結合電源儲能蓄電池工作特性,完成了主被動混合均衡拓撲的構建。最終經過大量實驗驗證,該拓撲易控制、結構簡單且具有較高可靠性,具有應用價值。

為減少電池充電過程中的能量損耗、提高均衡速度,于仲安等[11]則結合可重構均衡電路以及Buck-Boost均衡電路,并以開關電感為基礎構建可重構Buck-Boost充電均衡拓撲,在制定均衡策略時充分考慮到鋰電池荷電狀態(SOC)分布情況。鄭征等[12]結合自適應交錯控制策略以及主動均衡拓撲,后者以三繞組變壓器作為基本元器件,提出的多類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,可行性較高。吳忠強等[13]在多鋰電池組SOC均衡過程中應用鋰電池荷電狀態(SOC)估計方法,該方法能實現突變狀態的快速跟蹤,使得充放電過程中電池組容量不一致性得到有效降低,同時還能按照1%的標準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測量估計的精準性,在電池充電末期采用被動均衡,將反應時間進行延長,為保證均衡效率提高,采用主動均衡方式同時減少元器件,這種控制策略可實現雙閾值動態式主被動均衡。

綜上所述,采用電池均衡方法能有效干預電池成組一致性問題。本文在此基礎上以電池組壽命提高為目標,完成均衡方案的設計,實驗結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 研究對象

本實驗選取的測試對象為18650三元鋰電池,詳細參數指標見表1。首先對電池的充放電循環特性進行測試,將電池性能標定設備分別為Chroma與Neware,為避免老化結果受溫度因素影響,按照恒定溫度值25 ℃的標準使用Partner恒溫箱進行溫度調節。

表1 電池單體基本參數

電池中的鋰在其放電過程中將產生鋰離子,從鋰電池陽極轉移至陰極。從電極本質來看,相比于金屬鋰電池,鋰電池中的鋰離子電極無變化。通常,石墨晶體、二氧化鋰分別為鋰電池的陽極、陰極材料。電池在充電過程中,鋰離子和電子由鋰原子在陰極電離產生,陽極鋰原子由電子與向陽極移動靠近的鋰離子合成。電池在放電過程中,鋰離子和電子則在石墨晶體陽極表面由鋰原子電離而成,鋰原子在陰極合成。

2 工作區間對電池老化的影響

通常情況下,SOC均值、放電深度(ΔDOD)參數用于判斷循環SOC區間,此時電池處于工作狀態,對電池老化作用機制在不同ΔDOD條件下進行分析[15],表2給出20%、40%、60%ΔDOD電池循環下獲取的測試矩陣。

表2 電池老化測試矩陣

標定電池容量需等效循環實現,間隔次數為50,此時為容量及性能測試環節,還需對電池性能在多次循環處理后狀態改變情況進行對比分析[16]。在標定電池容量時,首先需要設置滿充標準,要求電池充電狀態保持在25 ℃,電壓最大值為4.2 V,完成這一步驟后需要在10 min內靜置電池,該階段需要對其進行放電操作,記錄電池釋放電量值,此過程需保持電流值為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次數下相對電池初期容量實際放電容量測試值。通過觀察發現,從電池容量衰減速率來看,經循環處理后各工作區間呈現出的變化規律各不相同。最慢單體容量衰減特性在55%～15%SOC區間呈現,這意味著最緩慢老化現象在SOC區間中間偏低處出現。在分析對比循環次數相同的結果發現,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 最優壽命均衡策略

SOC循環區間內各單體狀態為自由配置,為確保壽命均衡狀態始終維持,所以在實際調節過程中需要確保ΔDOD在循環期間最大為100%。將50輛電動汽車運行情況作為研究對象,參考上述結果分析一年內運行數據,經統計處理得到了如圖2所示的不同ΔDOD條件下電動汽車運行頻率間存在的差異情況。經觀察發現,ΔDOD在電動汽車實際運行過程中的產生并不頻繁,在80%以內ΔDOD達到92%的占比,因此設置下限指標為80%ΔDOD,對壽命均衡狀態下電動汽車續航里程的SOC最優范圍展開全面性評估,將20%作為放電起點SOC調節區間。

▲圖2 不同ΔDOD出現頻率分布

FC為循環容量衰減系數,由各測試數據擬合所得,具體數值可見圖3。通過觀察得到,容量衰減系數FC在SOC均值達到最高值時也達到最大,FC隨著ΔDOD的增大而不斷提高,結合實驗測試結果,發現循環處理過程中,容量衰減在高ΔDOD與高SOC區間增快。單體電池最佳區間對應的SOC均值和ΔDOD分別為40%、80%。

▲圖3 容量衰減系數FC與工作區間關系

綜合對比以上研究結果,發現電池老化測試速率在不同區間內的變化情況各不相同。最差單體SOC在循環充放電過程中需要控制于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一致程度相同。

3.2 試驗驗證

本文針對壽命均衡性能對4串電池組的方案進行了對比驗證,在此基礎上完成一致性變化規律的優化,在此過程中“均衡”性能作為主要評判標準。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表3。

表3 壽命均衡試驗各單體初始容量

在對第一組壽命進行均衡測試的過程中,電池組循環次數為150次,電池容量標定周期為50次,每次循環后各單體電池容量數值可通過圖4獲取。

▲圖4 壽命均衡第一組試驗結果

更差或更優單體容量與其他單體相比并非在各條件下均產生,實際使用電池組的過程中,單體容量更差、某幾節電池容量狀態相似等情況都有可能產生,況且在計算估計電池容量時存在多種干擾因素,必然會導致結果偏差,通常按照SOC為100%、80%的標準分別設置其余單體、最差單體的放電起點。

由于電池容量分散情況易出現在第二組試驗過程中,壽命均衡策略的選取要考慮動態性,電池組的長時間尺度保持一致。標定容量的周期為50次,容量過均衡問題很容易因為間隔時間過長而產生,這種情況下將難以保證精準調節單體工作區間。各單體電池容量經不同次數循環在測試期間的變化情況如圖5所示。通過觀察可得,循環測試可有效改善電池組的一致性,同時各單體電池容量經250次循環處理之后幾乎相同,均衡效果表現較為優異,容量一致性減至0.001 2,縮減0.005 1。

電池組惡化循環問題可通過本文提出的壽命均衡策略得到有效消除,同時能優化處理電池組容量一致性問題,在長時間尺度范圍內累計放電量可達到最大。

▲圖5 壽命均衡第二組試驗結果

4 結論

(1) 最慢單體容量衰減特性在55%～15%SOC區間呈現,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FC在SOC均值達到最高值時達到最大,FC隨著ΔDOD的增大而不斷提高,確定單體電池最佳區間對應的SOC均值和ΔDOD分別為40%、80%。

(3) 循環實驗驗證測試可有效改善電池組的一致性,同時各單體電池容量經250次循環處理之后幾乎相同,均衡效果表現較為優異,容量一致性減至0.001 2,縮減0.005 1。