串聯(lián)鋰離子電池組充放電試驗效率研究
——鋰離子電池管理研究之三

黃 兵

（鹽城師范學(xué)院，江蘇 鹽城 224000）

串聯(lián)鋰離子電池在當今新能源領(lǐng)域中的應(yīng)用愈加廣泛，如新能源汽車領(lǐng)域就是采用鋰離子電池作為動力源，這是因為鋰離子電池相比鎳氫電池、鉛酸蓄電池功率更高、能量更足的優(yōu)勢。電池作為一種能力存儲設(shè)備，掌握鋰離子電池充放電效率，是進一步加強電池性能的關(guān)鍵點[1]。在過去，國內(nèi)科研部門多數(shù)都是對鉛蓄電池、鎳氫電池、小容量鋰離子電池進行研究，對100Ah及其以上容量的鋰離子電池充放電研究較少，所以為了進一步研究串聯(lián)鋰離子電池組（大容量）特性，需要進一步加強對大容量鋰離子電池組進行充放電試驗，分析充放電特性、內(nèi)阻、效率等。

1 串聯(lián)鋰離子電池組性能試驗

鋰離子電池主要包括正負極、膈膜、電解質(zhì)構(gòu)成，正極材料主要是磷酸鐵鋰，負極材料為石墨或碳組成。正負極之間是電池電解液、隔膜構(gòu)成[2]。電池組就是多個鋰離子電池串聯(lián)，成為串聯(lián)正負極，中間是鋰離子電池組，整體結(jié)構(gòu)和鋰離子電池大同小異。在具體實驗中，需要從以下幾點出發(fā)：

1.1 試驗設(shè)備

為了能夠檢測串聯(lián)鋰離子電池組充放電性能，需要使用NBT電池測試系統(tǒng)、鋰離子動力電池組、溫度傳感器、恒溫箱以及計算機[3]。

1.2 試驗流程

使用上述試驗設(shè)備即可展開串聯(lián)鋰離子電池組的充放電試驗、內(nèi)阻、開路電壓特性試驗。電池充電采用恒流恒壓方案，放電采用恒流方案[4]。結(jié)合電池組的實際使用要求，本次試驗的恒壓充電值為3.6V、恒流放電為2.0V。根據(jù)電池在新能源汽車運行工況需求，通常電流在60A～200A之間，所測量的放電電流范圍在C/3、C/2、1C、1.5C。主要的試驗流程如下：

（1）常溫下電池試驗：①恒流充放電分別為30A、50A、100A、150A恒流充放電試驗。②SOC值為20-80%時大電流100A、150A充放電試驗。③內(nèi)阻、開路電壓特性試驗。

（2）40℃高溫下電池試驗，步驟同上。

（3）20℃溫度條件下的電池試驗，步驟同上。

2 串聯(lián)鋰離子電池組充放電效率分析

在上述試驗流程當中，對所獲得的試驗數(shù)據(jù)進行處理，對鋰離子電池SOC進行分析，包括內(nèi)阻和電池溫度提升特性以及電池組效率特性。

2.1 充電特性

本試驗主要是研究了不同溫度對電池充放電效率的影響，分別采用了0.35C、0.5C、0.8C恒流充電，在電池組中單體電池電壓達到了3.6V時，再采用恒壓充電，直到充電電流到10A時完成充電。

通過試驗分析表明，隨著充電電流增加，充電截止時間也有了明顯縮短，80A充電充滿時間大約只有35A充電時間的50%。也就是在充電電流增加時，恒流階段充入容量、能量會逐步降低，恒壓階段充入容量逐步增加。實驗表明，為了確保電池使用壽命、使用安全，可以適當提升充電電流，從而縮短充電周期，這對串聯(lián)鋰離子電池組領(lǐng)域發(fā)展有著重要意義。

此外，在低溫充電當中，恒流充電時間會有所減少，充電效率更高。電池組恒流充電階段充入容量、能量占據(jù)充電容量與能量的主要部分，所以在低溫充電過程中，電池充電容量、能量相比常溫充電會大大降低。在高溫條件下，電池充電容量與能量相比常溫環(huán)境有所提升，這是由于在高溫情況下電池活性物質(zhì)利用率有所提升，提升了充電效率，但是高溫充電會對電池造成負面影響，提升了安全隱患的發(fā)生幾率，所以要避免電池長期在高溫環(huán)境當中。當然，電池充放電環(huán)境溫度也不是越低越好，最佳溫度在10℃～25℃之間，可以有效提升電池回收能量率。

2.2 放電特性

2.2.1 不同放電倍率的電壓特性

通過對鋰離子電池展開了C/3、C/2、1C、1.5C恒流放電試驗可知。鋰離子電池在放電初期端電壓就呈現(xiàn)出了線性關(guān)系，并且放電電流增加，電壓會持續(xù)下降。在放電末期階段，電池工作電壓會快速降低。鋰離子電池組工作電壓和電池荷電狀態(tài)SOC存在著十分密切的關(guān)系，特別是在SOC為0.3～0.9時還呈現(xiàn)線性關(guān)系，這也讓開路電壓結(jié)合AH法估計電池的SOC成為了現(xiàn)實。

C/3、C/2、1C、1.5C恒流放電試驗當中，1C和2C放電容量要小于C/3的放電容量和放電能量，但差距并不明顯，因此隨著放電電流增加，鋰離子電池放電容量與能量并沒有明顯降低。

2.2.2 恒流放電溫升與內(nèi)阻特性

串聯(lián)鋰離子電池溫升會直接影響電池使用的安全性，還會對電池性能造成影響。

電池組溫升主要和內(nèi)阻有關(guān)。結(jié)合公式：Q=I*Rt；Rt=Ro+Rp（I為電放電流，Ro為歐姆內(nèi)阻，Rp為極化電阻）。通過試驗數(shù)據(jù)表明，在恒流放電條件下，電池組表面溫度呈現(xiàn)出線性上升形態(tài)，在放電電流增加的同時，溫升速率也有所增加。為了能夠保障電池可以正常工作，需要重點考慮電池箱通風(fēng)散熱系統(tǒng)性能。采用強制冷卻技術(shù)將電池組的溫度控制在合理范圍內(nèi)。

2.2.3 開路電壓特性

蓄電池開路電壓是外電路沒有電流流過時電極間的電位差。在實際使用當中，如果電池開路電壓低于蓄電池允許的終止電壓時，后續(xù)放電只占據(jù)總放電量的很少部分，但是會降低電池的使用壽命，所以放電需要在截止電壓指定范圍內(nèi)。通過開路電壓能夠判定電池荷電狀態(tài)。《PNGV電池試驗手冊》中的HPPC試驗可以得到電池開路電壓特性，主要試驗流程為：

（1）使用恒流0.5C限壓3.6V，將電池充滿電并靜止。

（2）使用1C電流放出DOD電量。

（3）靜置一個小時。

（4）重復(fù)以上三個步驟，直到100%DOD處進行最后試驗。

開路電壓在不同SOC電池HPPC試驗當中結(jié)合靜置時間得到數(shù)據(jù)。HPPC測試循環(huán)，是先展開10s放電脈沖，之后進行40s擱置后再進行10s充電脈沖過程。

2.2.4 內(nèi)阻特性

電池內(nèi)阻主要包括極化內(nèi)阻、歐姆內(nèi)阻。其中，歐姆內(nèi)阻是一個固定值，是正負極、膈膜、連接片內(nèi)阻的和；極化內(nèi)阻主要是受到電池充放電、電解液濃度、環(huán)境溫度影響。在SOC為0.1～0.9內(nèi)，放電歐姆內(nèi)阻在1.0mΩ左右波動，變化系數(shù)非常小。極化內(nèi)阻更小一些，大約在0.2mΩ～0.4mΩ范圍內(nèi)。在放電深度持續(xù)增加中，鋰離子電池組極化內(nèi)阻會先降低，維持在一定水平，在放電末期會快速增加。鋰離子電池單體內(nèi)阻更小，這也是鋰離子電池效率更高的原因。在鋰離子電池接近放電完畢時，此時鋰離子電池內(nèi)阻會集聚增加，從而降低了放電效率，這樣即可判定鋰離子電池處于放電終了階段，避免電池過放，延長電池的使用壽命。

3 結(jié)語

綜上所述，通過上述的試驗研究表明，高溫要比常溫充入量高一些，這是因為提升了活性物利用率，在一定程度提升了充電效率，在低溫階段電池容量、能量均有所減少，充放電效率降低。但為了延長電池使用壽命，還需要控制充電溫度。放電末期放電效率會持續(xù)降低，這是因為內(nèi)阻突然增加造成的結(jié)果，所以可以根據(jù)內(nèi)阻率判定電池電量。可見，在能夠保證生產(chǎn)工藝的前提下，還需要對客觀因素進行控制才能夠保證鋰離子電池組的充放電效率、延長電池使用壽命，因此在實際設(shè)計和使用中，需要從多方面進行考慮。