鋰動(dòng)力電池組關(guān)鍵參數(shù)研究與性能評(píng)估

傅 強(qiáng)， 魏平芬，楊 濤， 吳 飛

（1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明650051；2.昆明五威科工貿(mào)有限公司，昆明650051）

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鋰動(dòng)力電池組關(guān)鍵參數(shù)研究與性能評(píng)估

傅 強(qiáng)1， 魏平芬1，楊 濤2， 吳 飛2

（1.海軍駐昆明地區(qū)軍事代表辦事處，昆明650051；2.昆明五威科工貿(mào)有限公司，昆明650051）

摘 要：鋰離子電池具有諸多優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于小功率便攜式設(shè)備上。在大功率方面，聚合物鋰離子電池在儲(chǔ)能和動(dòng)力源領(lǐng)域已開始嶄露頭角。隨著聚合物鋰動(dòng)力電池的應(yīng)用越來越廣泛，對(duì)鋰動(dòng)力電池組在整個(gè)生命周期內(nèi)的性能進(jìn)行評(píng)估顯得尤為重要。本文對(duì)鋰動(dòng)力電池組的一些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了討論并對(duì)電池組的性能評(píng)估方法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：聚合物鋰動(dòng)力電池 關(guān)鍵參數(shù) SOC評(píng)估

0 引言

近幾年來，隨著科技的進(jìn)步和材料、生產(chǎn)工藝等方面的不斷改進(jìn)，鋰離子電池性能不斷提高，成本不斷降低，已逐漸成為最具發(fā)展前景的可充電電池。鋰離子電池以其輕便、高能量密度、高倍率特性好、環(huán)保無污染等特點(diǎn)，已開始應(yīng)用于混合動(dòng)力大巴車、純電動(dòng)汽車、水中兵器、水下航行器、航空航天等領(lǐng)域。但鋰動(dòng)力電池的安全性仍然是人們最為關(guān)注的問題[1]。對(duì)鋰動(dòng)力電池組的維護(hù)不當(dāng)將直接影響鋰電池的使用效益和壽命，嚴(yán)重情況下還可能導(dǎo)致安全事故[2]，為此在鋰動(dòng)力電池組的整個(gè)生命周期內(nèi)，通過掌握鋰動(dòng)力電池組的關(guān)鍵參數(shù)，可以及時(shí)了解鋰動(dòng)力電池組的工作現(xiàn)狀以及需要維護(hù)情況，并根據(jù)這些參數(shù)對(duì)鋰動(dòng)力電池組的整體性能作出評(píng)估。

1 鋰動(dòng)力電池簡(jiǎn)介

1.1鋰離子電池

鋰離子電池不使用諸如鉛酸蓄電池或鎳氫蓄電池的水溶性電解液，而是使用有機(jī)電解液。鋰離子電池是一種可充電的二次電池，它的工作原理是依靠鋰離子在電池正負(fù)極間的循環(huán)移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)電池的儲(chǔ)能和放電過程。具體為：充電的時(shí)候電池正極上有鋰離子析出，通過有機(jī)電解液運(yùn)動(dòng)嵌入到負(fù)極材料中，充入的容量越高，負(fù)極材料上嵌入的鋰離子越多；使用電池的過程中（即電池的放電過程），鋰離子的運(yùn)動(dòng)方向剛好與充電過程中的運(yùn)動(dòng)方向相反。鋰離子電池的放電和充電過程是可逆的。在這種反應(yīng)過程中，鋰以離子形態(tài)存在，不析出金屬狀態(tài)的鋰，確保了高度的穩(wěn)定性，并且由于只有鋰離子的移動(dòng)，因此副反應(yīng)很少[3]。

1.2鋰離子電池的優(yōu)點(diǎn)

1）能量密度高[4]。相同重量情況下，容量是鎳鎘或鎳氫電池的2-3倍，相同體積下，容量是鎳鎘電池的2-3倍，是鎳氫電池的3-4倍。

2）充電效率高、充電方便，效率接近100%，無記憶效應(yīng)。

3）輸出電壓高（約為3.7 V），是Ni-Cd、Ni-MH電池的3倍，還便于組成電池電源組，充放電特性也很好。

4）可承受高功率、高倍率放電，放電倍率可高達(dá)10C-20C,可作為動(dòng)力電池組，應(yīng)用于電動(dòng)汽車，水下運(yùn)載器等領(lǐng)域。

5）自放電率低，不到鎳鎘電池、鎳氫電池、鉛酸電池等其他電池的十分之一。

6）使用壽命長(zhǎng)，在正常使用情況下，一般的鋰離子電池使用循環(huán)次數(shù)可大于500次。

7）環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)，在-20℃-60℃的環(huán)境下正常使用，現(xiàn)在有些已達(dá)到可在-40℃-70℃下正常使用。

8）無污染，鋰離子電池在整個(gè)周期內(nèi)，包括生產(chǎn)、使用、報(bào)廢的過程中，不會(huì)產(chǎn)生諸如汞、鉛、鎘等有害重金屬，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，是綠色電池。

1.3聚合物鋰離子電池

聚合物鋰離子電池是鋰離子電池的一種，它是在液態(tài)鋰離子電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的電解質(zhì)采用凝膠態(tài)或固態(tài)的有機(jī)導(dǎo)電膜構(gòu)成，正極為鋰離子導(dǎo)電材料，負(fù)極為碳材料，一般采用鋰塑膜作為外包裝。與液態(tài)鋰離子電池相比，它具有更小的體積，更輕的質(zhì)量及更穩(wěn)定的性能，被公認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用市場(chǎng)的電池產(chǎn)品。

1.4鋰動(dòng)力電池組特性

鋰動(dòng)力電池就是鋰離子動(dòng)力電池的簡(jiǎn)稱，分高容量和高功率兩種類型，在高端應(yīng)用中一般選用聚合物鋰離子電池。在實(shí)際使用過程中，鋰動(dòng)力電池組作為動(dòng)力源，需要較高的電壓和較大的容量，而單個(gè)鋰電池的電壓一般為3.3 V或3.7 V,容量也較小，無法滿足要求，因此鋰動(dòng)力電池組需要幾十個(gè)甚至幾百個(gè)的單體電池串并聯(lián)而成。鋰動(dòng)力電池單體在生產(chǎn)加工過程中，從涂膜開始到最后的成品，每一道工序都有嚴(yán)格的檢驗(yàn)，以保證出廠單體電池電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)的一致性。另外鋰動(dòng)力電池組在成組前也會(huì)經(jīng)過嚴(yán)格的篩選，但即使這樣，鋰動(dòng)力電池組在使用一段時(shí)間后，單體電池的電壓、容量等這些關(guān)鍵參數(shù)依然會(huì)參差不齊，單體電池性能的不一致必然影響電池組的整體性能，甚至還可能發(fā)生危險(xiǎn)，這就是鋰動(dòng)力電池組的普遍特性。

因此，為保證鋰動(dòng)力電池組在實(shí)際使用過程中安全可靠，對(duì)鋰動(dòng)力電池組的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行研究，對(duì)鋰動(dòng)力電池組進(jìn)行性能評(píng)估就顯得非常重要。

2 鋰動(dòng)力電池組關(guān)鍵參數(shù)

2.1鋰動(dòng)力電池電壓與電路模型

鋰離子電池充放電的電化學(xué)過程十分復(fù)雜，且鋰離子電池又有非線性和時(shí)變性的特點(diǎn)，因此鋰離子電池的端電壓能反映鋰電池的電特性，但它們之間又不是簡(jiǎn)單的比例對(duì)應(yīng)關(guān)系，而是非常復(fù)雜的，需要用模型來描述它。

描述鋰電池電特性的模型有很多，我們認(rèn)為由FreedomCAR[5]給出的電池電路模型比較好地描述了電池的電特性，模型如圖1所示。

圖1 FreedomCAR電池模型

圖2單體電池恒流充放電特征曲線

圖2是單體鋰電池的恒流放電特征曲線[6]，曲線中間部分，也就是鋰動(dòng)力電池組主要工作狀態(tài)范圍，這一部分的曲線基本呈現(xiàn)平直狀態(tài)，類似一個(gè)電容，隨著電容上電量的減少其兩端的電壓也慢慢下降，即對(duì)應(yīng)模型中的電容C0。如圖3所示，在剛加載上電流以及剛撤除加載電流時(shí)，電壓值都有一個(gè)跳變，類似電流加載到一個(gè)純電阻上后的電壓響應(yīng)，即模型中的R0。

2.2鋰動(dòng)力電池內(nèi)阻

鋰動(dòng)力電池的內(nèi)阻是表征鋰動(dòng)力電池性能和壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一，越來越受到人們的重視。鋰動(dòng)力電池的內(nèi)阻與電池的容量有一定的關(guān)系，通常情況下，容量越大，電池的內(nèi)阻越小。對(duì)于相同型號(hào)、相同容量的鋰動(dòng)力電池成組使用時(shí)，保證單體電池內(nèi)阻的一致性可有效保證鋰動(dòng)力電池組的使用壽命。

鋰動(dòng)力電池的內(nèi)阻是指電流流過鋰動(dòng)力電池的正負(fù)極之間時(shí)所受到的阻力，主要包括極化內(nèi)阻和歐姆內(nèi)阻兩部分。極化內(nèi)阻主要由電化學(xué)反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的極化現(xiàn)象所引起，而歐姆內(nèi)阻主要由電解液電阻、電極材料電阻、和零件之間的接觸電阻所引起。

如圖3所示，脈沖電流放電的電壓相應(yīng)曲線，在負(fù)載加載的瞬間，鋰動(dòng)力電池的單體電壓有一個(gè)階躍式的下降，緊接著單體電壓緩慢下降。當(dāng)負(fù)載切斷后，鋰動(dòng)力電池的單體電壓也是先有一個(gè)階躍式的上升，然后才緩慢回升。這些現(xiàn)象是由鋰動(dòng)力電池內(nèi)阻的兩種電阻所引起的，階躍式的上升和下降由歐姆內(nèi)阻引起，緩慢的上升和下降由極化內(nèi)阻引起。

圖3脈沖電流放電電壓響應(yīng)曲線

2.3鋰動(dòng)力電池的溫升

溫升也是關(guān)系鋰動(dòng)力電池組使用安全和壽命的關(guān)鍵參數(shù)之一，在充放電過程中，鋰動(dòng)力電池自身的溫升對(duì)電池組的性能有很大的影響，在極端情況下較大的溫升甚至可能引發(fā)熱失控，對(duì)鋰動(dòng)力電池組的安全構(gòu)成重大威脅。

鋰動(dòng)力電池的溫升主要來自電池內(nèi)部的發(fā)熱，主要由反應(yīng)熱、焦耳熱、極化熱等部分構(gòu)成。一般情況下，焦耳熱主要由電池組內(nèi)阻引起，反應(yīng)熱由電池組的充分電引起，當(dāng)鋰動(dòng)力電池溫度小于70℃時(shí)，焦耳熱占總放熱量的主要部分，相反的當(dāng)溫度大于70℃時(shí)，反應(yīng)熱占主要部分。

1) 電池的總發(fā)熱量為：

其中： Q1為反應(yīng)熱，Q2為極化熱，Q3為焦耳熱。

2) 反應(yīng)熱為：

其中：Q為化學(xué)反應(yīng)過程中所產(chǎn)生熱量的代數(shù)和，單位為kJ/mol；I為電流值，單位為A。

3) 極化熱為：

其中：I為電流值，單位為A，Rpd為極化內(nèi)阻，單位為Ω。

4) 焦耳熱為：

其中：I為電流值，單位為A，Re為歐姆內(nèi)阻，單位為Ω。

3 鋰動(dòng)力電池組性能評(píng)估

對(duì)鋰動(dòng)力電池組梯次利用，讓電池組的性能得到充分發(fā)揮，才能體現(xiàn)出鋰動(dòng)力電池組作為二次電池的優(yōu)勢(shì)。為此對(duì)鋰動(dòng)力電池組進(jìn)行性能評(píng)估是非常重要的，是使其安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的重要保證。

電池荷電狀態(tài)（SOC）是鋰動(dòng)力電池組性能評(píng)估的一個(gè)最重要的參數(shù)。電池SOC無法直接測(cè)量，但是可以通過檢測(cè)電池的電流、電壓、內(nèi)阻、溫度等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行間接估算。合理估算電池的SOC能有效的防止電池過充、過放、延長(zhǎng)電池使用壽命，進(jìn)而降低成本，并為用戶分配使用鋰動(dòng)力電池組提供重要依據(jù)[7]。

目前SOC估算的方法很多，最常用的方法有：開路電壓法、電流積分法、卡爾曼濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。

3.1開路電壓法

開路電壓法是根據(jù)采集的電池開路電壓值，按一定的經(jīng)驗(yàn)公式或是查表計(jì)算出電池SOC值的方法。

開路電壓法是簡(jiǎn)單有效的SOC估算方法，它的估算基礎(chǔ)是實(shí)時(shí)采集的開路電壓值，因此它不存在積分誤差、誤差隨時(shí)間積累等問題。

開路電壓法同時(shí)也存在缺點(diǎn)，由于電池的開路電壓需要經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的靜止才能穩(wěn)定，穩(wěn)定后的電壓值才能較準(zhǔn)確的表征電池SOC。在電池的實(shí)際使用過程中，電池需要頻繁的工作，開路電壓法根本無法實(shí)時(shí)在線估算電池的SOC。

3.2電流積分法

電流積分法是對(duì)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)電流值進(jìn)行積分來估算出電池的SOC值。公式如下：

其中，I為電流，Cn為額定容量，η為效率系數(shù)。

電流積分法原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用較為廣泛，但是該方法對(duì)電流檢測(cè)的頻率和精度要求非常高，極易增加積分誤差，并且這種誤差是可以隨著時(shí)間累加的，估算精度難以保證。

3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是把計(jì)算機(jī)或微處理器作為計(jì)算工具，通過模擬人腦的學(xué)習(xí)、推理、思考等智能行為，處理和解決人們?cè)谏a(chǎn)生活中遇到的復(fù)雜問題的一種方法。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是人工智能的一個(gè)分支，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法應(yīng)用范圍寬，應(yīng)用于電池的SOC估算，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，它適用于各種類型的電池，只要建立的網(wǎng)絡(luò)模型合理，通過大量的樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練，該種方法可以獲得很好的估算精度。對(duì)于電池的SOC估算，一般把電池的電壓、電流、內(nèi)阻、容量、溫度等物理量作為輸入，通過訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型確定輸出。該方法輸入輸出間不需要精確的公式，具有一定的自適應(yīng)性。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是它計(jì)算量很大，對(duì)硬件的要求很高，同時(shí)它需要大量的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，工作量很大，而且輸出誤差受訓(xùn)練數(shù)據(jù)和訓(xùn)練方法的影響很大。

3.4卡爾曼濾波法

卡爾曼濾波法是一種實(shí)時(shí)遞推算法，在工程應(yīng)用中越來越受到人們的重視，隨著計(jì)算機(jī)、微處理器的飛速發(fā)展，卡爾曼濾波估算理論已廣泛應(yīng)用于航空、航海、通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。

卡爾曼濾波法是一種利用線性系統(tǒng)方程，通過輸入輸出數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)作出最優(yōu)估計(jì)。該方法應(yīng)用于鋰動(dòng)力電池的SOC估算，它的算法核心主要包括SOC估算值和協(xié)方差矩陣遞歸方程，協(xié)方差矩陣反映估計(jì)誤差。

卡爾曼濾波法可不斷修正電池的SOC初值，可不斷提高系統(tǒng)的估計(jì)精度，是一種比較理想的估算方法。然而卡爾曼濾波法也存在一定的缺陷，由于卡爾曼濾波法只能針對(duì)線性系統(tǒng)模型，而鋰動(dòng)力電池組是一個(gè)非常復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，利用卡爾曼濾波法對(duì)鋰動(dòng)力電池組進(jìn)行SOC值估算，精度必定受到一定的影響。

4 結(jié)論

隨著鋰動(dòng)力電池組的應(yīng)用越來越廣泛，保證鋰動(dòng)力電池組在整個(gè)壽命內(nèi)安全、可靠運(yùn)行顯得非常重要。而掌握鋰動(dòng)力電池組的關(guān)鍵參數(shù)、對(duì)鋰電池組作比較全面的性能評(píng)估則能更好的梯次利用鋰電池組，發(fā)揮鋰電池組的最大效能。SOC估算是評(píng)估鋰動(dòng)力電池性能的重要手段，SOC的估計(jì)方法有很多，采用單一的一種算法預(yù)測(cè)精度往往無法滿足需求，只有將幾種方法配合使用才能達(dá)到較為理想的效果。

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[7]馬 彥,柏慶文等.基于自適應(yīng)卡爾曼濾波的鋰離子電池SOC 估計(jì).吉林大學(xué).

Key Parameter and Performance Evaluation for High Power Lithium Batteries

Fu Qiang1,Wei Pingfen1,Yang Tao2,Wu Fei2
(1.Naval Representatives Office in Kunming,Kunming 650051,China; 2.Wuwei Scientific Industrial ＆ Trade Co.,Ltd.of Kunming,Kunming 650051,China )

Abstract:Lithium ion battery has many advantages and is widely used in low power portable devices.In high power aspect,polymer lithium ion battery has emerged in the field of energy storage and the power sources field.With the increasing application of lithium polymer battery,it is very important to evaluate performance of lithium power battery in the whole life cycle.In this paper,some key parameters of the lithium batteries are studied,and performance evaluation methods for the battery group are discussed.

Keywords:the polymer lithium battery; key parameter; SOC evaluation

作者簡(jiǎn)介：傅強(qiáng) (1965-)，男。研究方向：魚雷。

收稿日期：2014-05-12

中圖分類號(hào)：TM912.14

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-4862（2016）02-0059-04