三元?jiǎng)恿︿囯姵亟M全生命周期最優(yōu)壽命均衡策略

屈 濤，張八合

（1.陜西煤業(yè)化工技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710070； 2.陜西師范大學(xué) 化工學(xué)院，陜西 西安 710119）

隨著電池組中的電池?cái)?shù)量持續(xù)增加，易出現(xiàn)一定程度的個(gè)體差異，當(dāng)不同電池組之間產(chǎn)生不一致的情況時(shí)，會(huì)對(duì)成組性能及壽命造成不利影響，導(dǎo)致電動(dòng)汽車無(wú)法達(dá)到設(shè)定的續(xù)駛里程目標(biāo)，降低其使用安全性［1-3］。在實(shí)際組裝電池組過(guò)程中，無(wú)法完全消除不同單體電池之間的初始性能偏差，在激勵(lì)電流相同的條件下，每個(gè)單體的工作狀態(tài)變化較大，性能差異性更加明顯，在長(zhǎng)期過(guò)程中產(chǎn)生正反饋的效果，又被快速放空，對(duì)電池組綜合性能及使用率造成明顯影響［4］。

電池成組無(wú)法克服一致性問(wèn)題，可利用電池均衡的方法對(duì)其實(shí)行干預(yù)，電池組真實(shí)容量通常比其中某一單體容量更低［5］。為確保單體電池達(dá)到同樣的電壓及荷電狀態(tài)（state of charge，SOC），最大限度地發(fā)揮最低容量的單體容量，是獲得均衡電池性能的基礎(chǔ)方式［6-7］。郭宏等［8］根據(jù)能量利用率的情況，認(rèn)為完成充電后，所有單體電池都達(dá)到滿電狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)整組電池達(dá)到最大能量值。從保持均衡層面考慮，可通過(guò)直接測(cè)試的方式獲得單體電壓，因此根據(jù)電壓實(shí)現(xiàn)均衡狀態(tài)的方法被廣泛應(yīng)用。郭向偉等［9］通過(guò)研究電感儲(chǔ)能的機(jī)制，設(shè)計(jì)了一種以單電感實(shí)現(xiàn)的串并聯(lián)電池組控制技術(shù)，確保高電量、低電量單體分別實(shí)現(xiàn)放電與充電過(guò)程的均衡控制；該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制模式都較為簡(jiǎn)單，且占用體積較小，同時(shí)可根據(jù)后續(xù)功能需求靈活擴(kuò)展。劉春輝等［10］根據(jù)SOC 參數(shù)開(kāi)發(fā)了一種可自主均衡控制的電池管理系統(tǒng)，調(diào)節(jié)DC/DC 變換器及開(kāi)關(guān)電路，控制電池單體的充放電，可滿足不同電池組之間的能量快速轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)均衡調(diào)節(jié)。吳舒婕等［11］重點(diǎn)研究均衡電路發(fā)熱所導(dǎo)致的熱安全控制過(guò)程，構(gòu)建了一套適合電池管理系統(tǒng)均衡調(diào)節(jié)的熱力學(xué)模型，根據(jù)仿真測(cè)試結(jié)果，獲得均衡電路板的準(zhǔn)確溫度。

為獲得最優(yōu)的電池組壽命，本文設(shè)計(jì)了一種可提升電池組一致性的均衡方案，并驗(yàn)證了其可靠性。

1 研究對(duì)象

本實(shí)驗(yàn)選擇18650 三元鋰電池作為測(cè)試對(duì)象，電池單體的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。依次通過(guò)Chroma 和Neware 設(shè)備標(biāo)定電池性能，并測(cè)試其充放電循環(huán)特性，再通過(guò)Partner 恒溫箱將測(cè)試溫度調(diào)節(jié)至25 ℃，避免受溫度因素干擾，引起老化結(jié)果變化。

表1 電池單體基本參數(shù)Tab.1 Basic battery parameters

2 工作區(qū)間對(duì)電池老化的影響

對(duì)電池工作狀態(tài)下的循環(huán)SOC 區(qū)間，以放電深度（depth of discharge，DOD）和SOC 均值作為判斷依據(jù)，同時(shí)分析各DOD 條件下電池發(fā)生老化的作用機(jī)制［12］，設(shè)定電池循環(huán)依次為20%、40%和60%DOD，測(cè)試矩陣見(jiàn)表2。

表2 電池老化測(cè)試矩陣Tab.2 Battery aging test matrix

測(cè)試期間以50 次為間隔等效循環(huán)，完成電池的容量標(biāo)定，對(duì)比電池經(jīng)過(guò)不同次數(shù)循環(huán)處理后的性能變化趨勢(shì)。標(biāo)定容量的過(guò)程為：控制25 ℃充電，直至形成4.20 V 電壓，將此狀態(tài)作為滿充標(biāo)準(zhǔn)，之后對(duì)電池持續(xù)靜置處理10 min，直到電壓達(dá)到2.55 V，再對(duì)釋放電量進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。

將初期標(biāo)定的電池容量作為基礎(chǔ)，測(cè)試不同循環(huán)次數(shù)下，對(duì)應(yīng)的量綱歸一化放電容量，結(jié)果如圖1所示。由圖可知，在各工作區(qū)間內(nèi)循環(huán)處理后的電池表現(xiàn)出不同的容量衰減速率，當(dāng)電池處于高SOC區(qū)間時(shí)，容量快速衰減，介于95%～75%及85%～65%SOC 區(qū)間時(shí)，衰減9%。介于55%～15% 和75%～15%區(qū)間時(shí)，表現(xiàn)出最慢單體容量衰減特性，可得電池位于中間偏低SOC 區(qū)間時(shí)，老化最緩慢。在逐漸提升DOD中，電池容量衰減更快。

圖1 各單體電池容量變化趨勢(shì)Fig.1 Capacity variation trend of each battery

3 電池組壽命均衡策略

3.1 最優(yōu)壽命均衡策略

在實(shí)際調(diào)節(jié)時(shí)，為保持壽命均衡狀態(tài)，明確每個(gè)單體SOC 循環(huán)區(qū)間處于自由配置的狀態(tài)，要求電池循環(huán)期間DOD 不超過(guò)100%。基于此，本次實(shí)驗(yàn)對(duì)50 輛電動(dòng)汽車一年中的運(yùn)行數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，獲得電動(dòng)汽車運(yùn)行期間不同DOD 條件下的頻率差異性，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，實(shí)際運(yùn)行期間，電動(dòng)汽車未頻繁產(chǎn)生DOD，DOD 在80%以內(nèi)的比例達(dá)92%，為全面評(píng)估電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程與壽命均衡狀態(tài)下的SOC 最優(yōu)范圍，將80%DOD 作為下限指標(biāo)，對(duì)應(yīng)放電起點(diǎn)SOC調(diào)節(jié)區(qū)間為20%。

圖2 不同DOD出現(xiàn)頻率分布Fig.2 Frequency distribution of different DOD

擬合各測(cè)試數(shù)據(jù)獲得的各區(qū)間循環(huán)容量衰減系數(shù)FC如圖3 所示。由圖3 可知，在高SOC 均值下，可獲得更高容量衰減系數(shù)FC，當(dāng)DOD 提高時(shí)，F(xiàn)C也明顯增大，經(jīng)測(cè)試可得，高SOC 區(qū)間與高DOD循環(huán)處理時(shí)，容量衰減更快。將DOD 控制下限設(shè)定為80%時(shí)，SOC 均值至少達(dá)到40%，此時(shí)單體電池的最佳區(qū)間包括40%SOC 均值和80%DOD，確保電池在最低SOC區(qū)間范圍內(nèi)循環(huán)。

圖3 容量衰減系數(shù)FC與工作區(qū)間關(guān)系Fig.3 Relationship between capacity attenuation coefficient FC and working interval

上述測(cè)試結(jié)果表明，不同區(qū)間的電池老化測(cè)試速率存在較大差異。循環(huán)測(cè)試前，先確保容量最差單體達(dá)到80%放電起點(diǎn)SOC，剩余各項(xiàng)單體達(dá)到100%SOC；循環(huán)充放電時(shí)，保證最差單體SOC 在80%內(nèi)，以相同均衡方法調(diào)節(jié)此單體放電起點(diǎn)SOC位于80%，確保容量衰減速率相對(duì)最差單體更慢，實(shí)現(xiàn)充分放電效果，同時(shí)控制組內(nèi)所有單體電池都達(dá)到一致程度。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

使用電池組，并不是各條件下都會(huì)出現(xiàn)單體容量比其他單體更優(yōu)或更差的結(jié)果，可能出現(xiàn)其中某幾節(jié)電池容量狀態(tài)相近，或相對(duì)其他單體容量更差的結(jié)果。對(duì)電池容量的估計(jì)會(huì)產(chǎn)生一定的偏差，因此在實(shí)際使用中，通過(guò)模糊方法分析電池容量差異，將最差單體放電起點(diǎn)SOC 設(shè)定在80%，設(shè)定其他單體的放電起點(diǎn)SOC等于100%。

本文驗(yàn)證了4 串電池組的壽命均衡方案，優(yōu)化了電池組的一致性變化規(guī)律，判斷最終均衡性能。試驗(yàn)4串電池組初期容量見(jiàn)表3。

表3 壽命均衡試驗(yàn)各單體初始容量Tab.3 Initial capacity of each monomer in life equalization test

考慮到電池呈分散的容量狀態(tài)，選擇動(dòng)態(tài)變化壽命均衡策略，結(jié)合實(shí)際容量產(chǎn)生調(diào)節(jié)每個(gè)單體為“最差單體”或“其余單體”，確保整組電池獲得同樣的長(zhǎng)時(shí)間尺度。上述做法按照50 次的周期進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，完成容量標(biāo)定，如間隔時(shí)間太長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致容量過(guò)于均衡，不能實(shí)現(xiàn)單體工作區(qū)間的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)。測(cè)試期間，經(jīng)不同次數(shù)循環(huán)得到的各單體電池容量如圖4 所示。由圖4 可知，電池組的一致性得到顯著改善，循環(huán)處理250 次后，所有單體電池均達(dá)到相近容量，同時(shí)容量一致性也由0.006 3 減小為0.001 2，均衡效果良好。

圖4 壽命均衡試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Test results of life equalization

本文設(shè)計(jì)壽命均衡策略優(yōu)化了長(zhǎng)時(shí)間尺度范圍內(nèi)電池組容量一致性，解決了電池組惡化循環(huán)問(wèn)題，確保電池組在全生命周期內(nèi)獲得最大累計(jì)放電量。

4 結(jié)論

本文開(kāi)展三元?jiǎng)恿︿囯姵亟M全生命周期最優(yōu)壽命均衡策略分析，取得如下有益結(jié)果：

（1） 在各工作區(qū)間內(nèi)循環(huán)處理后的電池表現(xiàn)出不同容量的衰減速率，逐漸提升DOD 中，電池容量衰減更快。

（2） 高SOC 區(qū)間和高DOD 循環(huán)處理時(shí)，容量衰減更快。以相同均衡方法調(diào)節(jié)此單體放電起點(diǎn)SOC 位于80%，確保容量衰減速率相對(duì)最差單體更慢，實(shí)現(xiàn)充分放電效果，確保控制組內(nèi)所有單體電池容量一致性。

（3） 電池組的一致性獲得了顯著改善，循環(huán)處理250 次后，所有單體電池均達(dá)到相近容量，容量一致性也由0.006 3 減小為0.001 2，均衡效果良好。該均衡策略實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間尺度范圍的電池組容量一致性優(yōu)化。