基于電芯替換的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組維護(hù)方法

黃嫄，張帆，鄭正仙，朱金衛(wèi)，陳潘霞

（1．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009；2.華北電力大學(xué)，北京102206；3．杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州310012）

基于電芯替換的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組維護(hù)方法

黃嫄1,2，張帆1,3，鄭正仙1,3，朱金衛(wèi)3，陳潘霞3

（1．國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州310009；2.華北電力大學(xué)，北京102206；3．杭州大有科技發(fā)展有限公司，杭州310012）

分析了電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組中電芯出現(xiàn)性能異常導(dǎo)致其使用壽命急劇衰減的原因，提出了一種電芯替換技術(shù)，可提高串聯(lián)電芯的一致性水平。試驗(yàn)表明該方法對(duì)提高成組動(dòng)力電池組的實(shí)際可用容量和循環(huán)壽命性能是有效的。

電動(dòng)汽車；動(dòng)力電池組；維護(hù)技術(shù)；電芯替換；循環(huán)壽命

鋰電池憑借其能量密度高、體積密度高、工作電壓高、無(wú)記憶效應(yīng)、自放電低且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車動(dòng)力源的最佳選擇[1]。為滿足電動(dòng)汽車功率驅(qū)動(dòng)需求，一般需要將鋰電池電芯串聯(lián)使用以提高電壓等級(jí)。串聯(lián)電池組存在循環(huán)使用壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)壽命的問題，一方面是在串聯(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；另一方面是各電芯的充/放電特性不一致，電芯的充/放電特性差異會(huì)造成充/放電時(shí)電量的不平衡，從而對(duì)過(guò)充電或過(guò)放電的電池造成損害，影響整個(gè)電池組的使用壽命[2-3]。

運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)表明，采用傳統(tǒng)充電方式，鋰電池組（80 V 60 Ah磷酸鐵鋰電池組）充/放電近500多次循環(huán)后，實(shí)際可用容量降為原來(lái)的80%左右，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(zhǎng)使用壽命是目前急需解決的重要問題。此外，某些電池組在使用過(guò)程中循環(huán)壽命嚴(yán)重低于正常值。

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(lái)提高串聯(lián)電芯的一致性水平。試驗(yàn)結(jié)果表明使用該方法可使某性能異常的磷酸鐵鋰電池組（80 V 60 Ah）實(shí)測(cè)循環(huán)壽命從158次提高至629次，提高了成組動(dòng)力電池組的實(shí)際可用容量和循環(huán)使用壽命。

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3.2 V 60 Ah。

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10 min，以87.6 V電壓30 A電流恒流充電，然后恒壓充電至電流為3 A時(shí)，充電停止；保護(hù)電壓3.7 V，當(dāng)電芯電壓超過(guò)3.7 V時(shí)充電立即停止；

（2）靜置10 min，5 A電流恒流放電至2.8 V；

（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(guò)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60 Ah，當(dāng)電池組循環(huán)過(guò)程中低于48 Ah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。

圖1 動(dòng)力電池組循環(huán)壽命測(cè)試曲線

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47.9 Ah，首次跌破48 Ah（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(wú)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[4]。

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(guò)充或過(guò)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(guò)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(guò)程中，對(duì)之前159次充電過(guò)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)果如圖2所示。

圖2 充電過(guò)程中最早達(dá)到保護(hù)電壓電芯序號(hào)統(tǒng)計(jì)

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(guò)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(guò)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(kù)中，該模型庫(kù)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(guò)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(guò)電芯的開路電壓、容量、充/放電曲線的比對(duì)，在電芯模型庫(kù)中，找出匹配度較好的電芯，測(cè)試通過(guò)則替換過(guò)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(guò)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(wú)線采集系統(tǒng)、總控制器組成。電池組性能檢測(cè)設(shè)備原理如圖3所示。系統(tǒng)通過(guò)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2.8 V）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51.54 Ah，放電容量為52.34 Ah，初始放電容量為60 Ah，充/放電值均比整組低，放電時(shí)尤為明顯，放電值略低0.05 V左右，說(shuō)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0.344 V，不符合壓差不超過(guò)0.22 V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57.58 Ah，壓差0.213 V。

基于上述研究提出替換指標(biāo)，即電池容量下降為初始容量的90%～92%，壓差達(dá)到0.22 V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。

表1 替換前電池組內(nèi)各單體電芯放電截止時(shí)電壓值

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4所示。

圖3 電池組性能檢測(cè)系統(tǒng)原理

在電芯替換前，針對(duì)某一電池組的循環(huán)測(cè)試過(guò)程中，因其容量衰減速率較快，在其循環(huán)到277次，容量降至52.34 Ah（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1 062次，放電容量為47.99 Ah（約為初始容量的80%），表明電池組循環(huán)壽命為1 061次，說(shuō)明電芯替換方法能有效延長(zhǎng)電池組壽命。

表2 替換后電池組內(nèi)各單體電芯放電截止時(shí)電壓值

圖4 某動(dòng)力電池組電芯替換措施前后對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

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(zhǎng)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。

[1]PIKE RESEARCH REPORT．The Global Outlook for PHEVs∶Business Issues[R]．Technology Issues，Key Players，and Market Forecasts，third quarter，2009．

[2]GUERTLSCHMID W，BLOCHBERGER T，KUMPUSCHR，et al．A Current Equalization Method for Serially Connected Battery Cells Using a Single Power Converter for Each Cell[J]．IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY，2011，60（9）∶4227-4237．

[3]LEE YUANGSHUNG，CHENG MINGWANG．Intelligent Control Battery Equalization for Series Connected Lithium-Ion Battery Strings[J]．IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，2005，52（5）∶1297-1307．

[4]陶順，肖湘寧．基于短板效應(yīng)的電能質(zhì)量綜合等級(jí)評(píng)價(jià)[J]．電工電能新技術(shù)，2008，27（2）∶16-20．

（本文編輯：楊勇）

Maintenance Method of Electric Vehicle Power Battery Based on Cell Replacement Technology

HUANG Yuan1，2，ZHANG Fan1，3，ZHENG Zhengxian1，3，ZHU Jinwei3，CHEN Panxia3
（1.State Grid Hangzhou Power Supply Company，Hangzhou 310009，China；2.North China Electric Power University，Beijing 102206，China；3.Hangzhou Dayou Science and Technology Development Co.，Ltd.，Hangzhou 310012，China）

The paper analyzes reasons of sharply decreased service life of electric vehicle power battery in case of abnormal cell performance and proposes cells replacement technology to improve consistency level of tandem cells.It is experimentally proved that the method can effectively improve actual available capacity and cycle-life performance of power battery packs.

electric vehicle；power battery packs；maintenance technology；cell replacement；cycle-life performance

TM912.9

：B

：1007-1881（2014）11-0062-04

2014-05-13

黃嫄（1984-），女，浙江舟山人，助理工程師，華北電力大學(xué)在職研究生，從事電力設(shè)備狀態(tài)檢修與分析工作。