三元鋰電池組最優(yōu)壽命均衡策略設計及試驗驗證

李 參

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

循環(huán)壽命長、高能量、工作電壓高等均是鋰離子電池的優(yōu)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(tǒng)構建當中,由于汽車動力系統(tǒng)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(lián)電池多達幾十乃至成百上千節(jié)[2]。個體差異性也隨著數(shù)量不斷增加的電池數(shù)量而產(chǎn)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(xù)航能力受到嚴重影響。各單體工作狀態(tài)在激勵電流相同的情況下產(chǎn)生的變化都各不相同,性能差異也因此越發(fā)顯著,長期以來正反饋效果逐漸產(chǎn)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(tǒng)的經(jīng)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(tǒng)分層均衡策略進行研究對比,發(fā)現(xiàn)在平均時間效率方面,在三種電池狀態(tài)下這種均衡策略比傳統(tǒng)策略約提高30.4%。徐鵬等[9]通過實驗驗證串聯(lián)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(shù)量多等存在于以電感儲能為基礎的傳統(tǒng)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(jīng)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(tài)(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(tài),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(tài)(SOC)估計方法,該方法能實現(xiàn)突變狀態(tài)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(tài)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(xiàn)雙閾值動態(tài)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(shù)指標見表1。首先對電池的充放電循環(huán)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(jié)。

表1 電池單體基本參數(shù)

電池中的鋰在其放電過程中將產(chǎn)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(chǎn)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(qū)間對電池老化的影響

通常情況下,SOC均值、放電深度(ΔDOD)參數(shù)用于判斷循環(huán)SOC區(qū)間,此時電池處于工作狀態(tài),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(huán)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(huán)實現(xiàn),間隔次數(shù)為50,此時為容量及性能測試環(huán)節(jié),還需對電池性能在多次循環(huán)處理后狀態(tài)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(tài)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(huán)次數(shù)下相對電池初期容量實際放電容量測試值。通過觀察發(fā)現(xiàn),從電池容量衰減速率來看,經(jīng)循環(huán)處理后各工作區(qū)間呈現(xiàn)出的變化規(guī)律各不相同。最慢單體容量衰減特性在55%～15%SOC區(qū)間呈現(xiàn),這意味著最緩慢老化現(xiàn)象在SOC區(qū)間中間偏低處出現(xiàn)。在分析對比循環(huán)次數(shù)相同的結果發(fā)現(xiàn),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(yōu)壽命均衡策略

SOC循環(huán)區(qū)間內各單體狀態(tài)為自由配置,為確保壽命均衡狀態(tài)始終維持,所以在實際調節(jié)過程中需要確保ΔDOD在循環(huán)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(shù)據(jù),經(jīng)統(tǒng)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(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),ΔDOD在電動汽車實際運行過程中的產(chǎn)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(tài)下電動汽車續(xù)航里程的SOC最優(yōu)范圍展開全面性評估,將20%作為放電起點SOC調節(jié)區(qū)間。

▲圖2 不同ΔDOD出現(xiàn)頻率分布

FC為循環(huán)容量衰減系數(shù),由各測試數(shù)據(jù)擬合所得,具體數(shù)值可見圖3。通過觀察得到,容量衰減系數(shù)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(fā)現(xiàn)循環(huán)處理過程中,容量衰減在高ΔDOD與高SOC區(qū)間增快。單體電池最佳區(qū)間對應的SOC均值和ΔDOD分別為40%、80%。

▲圖3 容量衰減系數(shù)FC與工作區(qū)間關系

綜合對比以上研究結果,發(fā)現(xiàn)電池老化測試速率在不同區(qū)間內的變化情況各不相同。最差單體SOC在循環(huán)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(guī)律的優(yōu)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(huán)次數(shù)為150次,電池容量標定周期為50次,每次循環(huán)后各單體電池容量數(shù)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(yōu)單體容量與其他單體相比并非在各條件下均產(chǎn)生,實際使用電池組的過程中,單體容量更差、某幾節(jié)電池容量狀態(tài)相似等情況都有可能產(chǎn)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(xiàn)在第二組試驗過程中,壽命均衡策略的選取要考慮動態(tài)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(chǎn)生,這種情況下將難以保證精準調節(jié)單體工作區(qū)間。各單體電池容量經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)在測試期間的變化情況如圖5所示。通過觀察可得,循環(huán)測試可有效改善電池組的一致性,同時各單體電池容量經(jīng)250次循環(huán)處理之后幾乎相同,均衡效果表現(xiàn)較為優(yōu)異,容量一致性減至0.001 2,縮減0.005 1。

電池組惡化循環(huán)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(yōu)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(qū)間呈現(xiàn),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(shù)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(qū)間對應的SOC均值和ΔDOD分別為40%、80%。

(3) 循環(huán)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(jīng)250次循環(huán)處理之后幾乎相同,均衡效果表現(xiàn)較為優(yōu)異,容量一致性減至0.001 2,縮減0.005 1。