基于DCDC開關(guān)電源的梯次電池并聯(lián)特性研究

臧政 朱智富 霍煒 張翼 黃福闖

摘要：為提高動力梯次電池的輸出性能，本文基于直流-直流變換（direct currentdirect current， DCDC）開關(guān)電源，對梯次電池并聯(lián)特性進(jìn)行研究。以某小型電動觀光高爾夫汽車退役的磷酸鐵鋰電池為研究對象，設(shè)計了一種DCDC開關(guān)電源技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對梯次電池的充放電。同時，對電池內(nèi)阻、剩余容量及初始SOC不一致的情況進(jìn)行研究，驗(yàn)證了梯次磷酸鐵鋰電池在內(nèi)阻差別較小的情況下可進(jìn)行小電流放電，對電池的總?cè)萘坑绊戄^小。同時，使用DCDC開關(guān)電源對電池進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)SOC較低時，梯次電池的極化內(nèi)阻明顯變大，電池不一致性顯著增加，利用梯次電池時，應(yīng)選擇20%～80%的SOC。該研究為梯次電池的循環(huán)利用提供了理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：動力梯次電池; DCDC開關(guān)電源; 極化內(nèi)阻; 一致性

目前，電動汽車是交通運(yùn)輸行業(yè)脫碳最有希望的方式之一，而動力鋰離子電池在實(shí)現(xiàn)電動汽車大規(guī)模生產(chǎn)中非常重要[1-3]。電動汽車行業(yè)在發(fā)展過程中，梯次電池重復(fù)利用的問題越來越受到關(guān)注，許多研究已經(jīng)評估了梯次電池的經(jīng)濟(jì)可行性[4-9]，梯次電池的使用引起了各大車企制造商的關(guān)注，如日產(chǎn)-雷諾、寶馬、特斯拉等。根據(jù)彭博新能源（bloomberg new energy finance，BNEF）的一項(xiàng)報道，全球梯次電池到2025年能達(dá)到26 GWh，占2015年全球鋰電池供應(yīng)的47%，占2016年全球純電動汽車電池需求的65%[10]。重復(fù)利用梯次電池，不僅給汽車產(chǎn)業(yè)帶來更大的機(jī)遇，也給其他行業(yè)參與者帶來更大便利。通常情況下，從電動汽車上退役下來的鋰離子動力電池，其容量會保留原來的70%～80%，如果直接將電池淘汰會造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，而梯次電池仍然可以在靜態(tài)儲能等領(lǐng)域發(fā)揮它的剩余價值，實(shí)現(xiàn)資源的二次利用[11-13]。對于退役下來的梯次電池，必須經(jīng)過嚴(yán)格的篩選，重新進(jìn)行串、并聯(lián)成組才能使用。目前，國內(nèi)一些研究者對梯次電池再利用進(jìn)行了研究。E.MartinezLaserna等人[14]研究了梯次電池的衰退性問題;N.Omar等人[15]研究了梯次電池在電網(wǎng)儲能、不間斷供電及可再生電力管理系統(tǒng)等方面具有相當(dāng)高的恢復(fù)潛力;李臻等人[16]分析了退役電池的電化學(xué)性能，梯次電池利用率可達(dá)60%;孫冬等人[17]研究了梯次電池的健康數(shù)據(jù)提取方法，建立了健康壽命模型，提出了鋰電池健康狀態(tài)預(yù)測方法;陳偉華等人[18]對電池組與串聯(lián)組進(jìn)行一系列充放電實(shí)驗(yàn)，分析了電池組與串聯(lián)組的容量、歐姆內(nèi)阻等主要參數(shù)的衰變特性;劉仕強(qiáng)等人[19]通過常規(guī)循環(huán)和典型電網(wǎng)儲能工況循環(huán)，研究了動力電池電網(wǎng)儲能工況梯次利用的可行性;張彩萍等人[20]研究了梯次電池阻抗模型特性參數(shù)隨電池荷電狀態(tài)（state of charge，SOC）和老化狀況的變化特性，但未對梯次電池串、并聯(lián)后的各種性能進(jìn)行深入研究?；诖耍疚囊酝艘哿姿徼F鋰電池為研究對象，電池內(nèi)阻、電池剩余容量以及初始SOC不一致的情況進(jìn)行研究，驗(yàn)證了梯次磷酸鐵鋰電池在內(nèi)阻差別較小的情況下進(jìn)行小電流放電，對電池的總?cè)萘坑绊戄^小。梯次電池的極化內(nèi)阻隨著SOC的變化而變化，SOC越低時，極化內(nèi)阻越大。該研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價值。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

DCDC充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電池為退役的磷酸鐵鋰電池，DCDC為獨(dú)立研發(fā)的開關(guān)電源，可實(shí)現(xiàn)雙向升降壓，用12 V電壓對DCDC供電，電流傳感器采集各支路電流，外部能量池在電池放電時充當(dāng)外界負(fù)載，對電池充電時充當(dāng)電源，單通道USBCAN通過PC機(jī)控制充放電的電流與電壓。

DCDC原理圖如圖2所示。圖2中，Uin為輸入電壓;Uo為輸出電壓;C1為輸入端電容;C2為輸出端電容;L為電感;S1為下橋MOS;S2為上橋MOS。DCDC分為控制板與功率板。功率板由控制板控制，主要負(fù)責(zé)大功率電壓轉(zhuǎn)換。DCDC控制板組成如圖3所示?？刂瓢逵?個模塊組成，分別為DSP控制模塊、采樣模塊、上橋MOS驅(qū)動、下橋MOS驅(qū)動、電源模塊、程序燒寫模塊、CAN模塊、散熱模塊，編碼模塊。

實(shí)驗(yàn)對象是從某小型電動高爾夫觀光汽車退役的動力鋰電池，原標(biāo)稱電壓為37 V，原標(biāo)稱容量為2 900 mAh，直徑18 mm，長度65 mm。對各個單體的內(nèi)阻與容量測試后，從36塊單體電池中挑選出3組9個單體電池（每組3個）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。A組鋰離子電池主要研究內(nèi)阻不一致的影響，所選電池的電壓和剩余容量基本一致，電池最大內(nèi)阻為39624 mΩ，最小內(nèi)阻為36645 mΩ;B組鋰電池主要研究電池剩余容量不一致的影響，所選電池內(nèi)阻和電壓基本一致，剩余容量分別為2 465，2 552，2 639 mAh;C組鋰電池主要研究初始SOC不一致的影響，鋰電池的電壓、剩余容量和內(nèi)阻基本一致。A組、B組和C組電池參數(shù)如表1所示。

2 數(shù)據(jù)處理與記錄

按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計，利用新型DCDC開關(guān)電源研究一次電池在剩余容量、內(nèi)阻、初始SOC不一致情況下的并聯(lián)特性。

2.1 內(nèi)阻不一致性研究

選擇電池內(nèi)阻不一致的A組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將A1，A2，A3并聯(lián)，對A組電池以05 C完全充電，以03 C，05 C，1 C分別放電，各個放電倍率循環(huán)5次，然后將電池組以05 C完全充電，記錄各支路電壓、電流與電池組總電流。

2.1.1 電池組并聯(lián)電壓特性

當(dāng)A組電池以03 C放電時，放電電壓隨放電時間變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，以03 C放電過程電壓變化分為3個階段。放電初期，電壓下降較快，成比例下降;放電中期，放電曲線趨于平緩，進(jìn)入“平臺區(qū)”;放電末期，曲線呈迅速下降趨勢。由圖4還可以看出，電池組以03 C放電時，由于電池內(nèi)阻引起的電壓差比較小，故各單體間放電電壓曲線基本重合，且電池組放電總電壓比各單體電壓稍小，這是因?yàn)殡娐烽g的接觸電阻會引起電壓差。另外，電池以03 C放電容量為7 989 mAh，這與A1，A2，A3的總?cè)萘? 010 mAh基本一致，說明在內(nèi)阻差別不大的情況下，電池并聯(lián)成組后，對電池組總?cè)萘康挠绊戄^小。

2.1.2 電池組并聯(lián)電流特性

當(dāng)A組電池以03 C放電時，放電電流隨放電時間變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，在整個放電過程中，總電流一直保持在23 A左右，各單體支路電流在0～3 h之間保持在075 A左右，電流相對比較平穩(wěn)。當(dāng)電池放電到SOC大約為13%時，各單體支路電流瞬間發(fā)生明顯變化，A1，A2瞬間減小，最小達(dá)到061 A，比平穩(wěn)放電電流階段相差約13%;而支路A3最大電流比平穩(wěn)階段增大約36%，表現(xiàn)出明顯的差異。

2.1.3 電池組并聯(lián)倍率特性

當(dāng)A組電池以1 C放電時，放電電流隨放電時間變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，A組電池以1 C電流放電，放電前47 min各支路電流相對平穩(wěn)，與03 C放電電流相比，絕對電流差別更大。在第47 min后，各支路電流發(fā)生顯著變化，其中支路電池A2急劇下降，A3先緩緩上升再下降，而支路A1電流急劇上升，在A組電池放電結(jié)束時，支路A1電流最高達(dá)352 A，支路A2電流只有158 A。兩者相差1228%，電池支路間的電流差別可能引起電池過熱，對電池有一定的損壞，影響電池的使用壽命。

在并聯(lián)電池放電過程中，電池組各個支路兩端的電壓相等，各個支路電流的變化是由各個支路單體電池內(nèi)阻的變化所引起。

由圖5與圖6可以看出，電池的內(nèi)阻隨著SOC的變化而改變，當(dāng)SOC較低時，電池內(nèi)阻會發(fā)生明顯改變，造成了并聯(lián)各支路電流間的偏差明顯變大。另外，放電電流越大，支路電池內(nèi)阻出現(xiàn)明顯變化的SOC拐點(diǎn)越早，比小電流放電情況更快達(dá)到這個拐點(diǎn)，所以在對動力梯次電池進(jìn)行放電使用時，最大放電深度應(yīng)該根據(jù)需要的放電電流而確定，避免進(jìn)行深度放電。

2.2 容量不一致性研究

選擇電池容量不一致的B組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，電池先以05 C完全充電，再將B1，B2，B3并聯(lián)，然后電池組以05 C放電到電壓為2.75 V，再以05 C對電池完全充滿，此過程循環(huán)5次，記錄電池組各支路的電流變化情況。

各支路與總B組容量不一致實(shí)驗(yàn)，以1 C放電時，各支路放電電流隨放電時間變化曲線如圖7所示。由圖7可以看出，各支路放電電流變化趨勢不同，在約48 min前，各支路電流變化較平緩，但在放電末期，各支路電流急劇變化，支路電池B3電流在48 min時瞬間下降，B1，B2急劇增大。在第55 min時，B1增大到3.47 A，B2增大到3.27 A，而原來電流最大的B3，電流最小達(dá)1.69 A，最大與最小電流相差1.78 A。可能是因?yàn)锽3在放電過程中電流較大，在達(dá)到拐點(diǎn)時SOC值較小，所以在超低SOC情況下，電池極化內(nèi)阻可能會瞬間增大，導(dǎo)致電流減小，為保證總放電過程中電流不變，B1，B2所在支路的電流增加。

為驗(yàn)證電池放電過程中極化內(nèi)阻隨放電深度（depth of discharge，DOD）的變化情況，測得電池組B以1 C電流放電時，每次放電5 min，然后停置2 h，再根據(jù)停置前后的電壓之差分別計算B1，B2，B3各電池極化內(nèi)阻，單體電池B1，B2，B3放電極化內(nèi)阻圖如圖8～圖10所示。在放電過程中，各個電池極化內(nèi)阻的變化趨勢在放電初期與末期，電池的極化內(nèi)阻變大，特別是在電池放電末期，電池的極化內(nèi)阻成倍增加。

由圖8～圖10可以看出，放電初期，3支電池的極化內(nèi)阻相差不大，而在放電末期，3支電池的內(nèi)阻發(fā)生明顯差異，電池B3在放電末期約50 min時極化內(nèi)阻迅速增加，且增大倍率明顯比電池B1，B2大，在超低SOC情況下，電池極化內(nèi)阻會急劇增大，所以在對梯次電池進(jìn)行利用時，應(yīng)避免深度放電，盡可能的選擇在電池中段的20%～80%進(jìn)行循環(huán)利用，這樣可以減小SOC在較低或者較高時電阻的突然改變對電池組的影響。另外可以看出，梯次電池不適合大電流進(jìn)行放電。

2.3 初始SOC不一致性研究

選擇初始SOC不一致的C組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將C1，C2，C3并聯(lián)，以05 C分別充電20%，50%，80%到SOC，再將各單體電池并聯(lián)充電到電壓為3.7 V，然后再以37 V的電壓恒壓充電1 h，再對電池組以1 C放電到電壓為2.7 V，此過程循環(huán)5次。記錄電池組充放電各支路電流的變化。

在C組梯次電池中，支路電池C1，C2，C3容量分別為20%，50%，80%，C組電池充電時，各支路充電電流隨充電時間變化曲線如圖11所示。由圖11可以看出，電壓很快達(dá)到額定電壓，之后變?yōu)楹銐撼潆婋A段。在整個充電過程中，C1電流最大，C3電流最小，這是因?yàn)殚_始時SOC不相同，而引起單體之間的電壓也不相同。C3電池率先充滿，其支路的充電電流在12 min之后迅速下降。開始時SOC存在差異，梯次電池充滿電的時間順序也存在差異，C2電池在35 min后迅速下降，由于電池充電后期是恒壓充電階段，因此總電流在下降，在充電過程中，沒有發(fā)現(xiàn)先充滿的電池對后充滿的電池有充電現(xiàn)象。

對C組電池充滿電以后，再對其以1 C進(jìn)行放電，C組電池放電時，各支路放電電流隨放電時間變化曲線如圖12所示。由圖12可以看出，放電的過程與圖7大致相同，在對電池放電的后期，電流會有明顯差別，說明在SOC差別比較大的并聯(lián)充電模式下，只要充電方式設(shè)置合理，支路單體電池初始SOC不一致性的情況可以得到緩解。

3 結(jié)束語

通過對某小型高爾夫電動觀光退役的磷酸鐵鋰電池進(jìn)行分析，研究了電池內(nèi)阻、電池剩余容量以及初始SOC不一致的情況，驗(yàn)證了梯次磷酸鐵鋰電池在內(nèi)阻差別較小的情況下進(jìn)行小電流放電，對電池的總?cè)萘坑绊戄^小。梯次電池的極化內(nèi)阻隨著SOC的變化而變化，SOC越低時，極化內(nèi)阻越大。梯次電池極化內(nèi)阻出現(xiàn)明顯變化的SOC拐點(diǎn)與放電電流的大小有關(guān)，放電電流越大，到達(dá)拐點(diǎn)的時間越迅速;各支路電池開始SOC不一致的情況下，通過恒定電壓充電，使電池SOC的不一致性得到緩解;在對梯次電池進(jìn)行循環(huán)利用時，應(yīng)盡可能選取20%～80%的SOC進(jìn)行利用。該研究有利于梯次電池的循環(huán)利用。

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