二次利用磷酸铁锂动力电池并联特性研究

钟国彬，周方方,，苏 伟，魏增福，刘学武

（1 广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东广州510080；2 大连理工大学化工机械学院，辽宁 大连116024）

当前，全球经济竞争格局正在发生深刻变革，科技发展正孕育着新的革命性突破，发展战略性新兴产业成为世界主流国家抢占新一轮经济和科技发展制高点的重大战略选择，尤其是面对当前日益突出的燃油供求矛盾和汽车尾气排放污染问题，世界各国，特别是以美国、日本、欧盟为代表的国家和地区，纷纷把发展新能源汽车作为抢占新一轮经济和科技发展制高点的战略选择，新能源汽车成为未来汽车产业的重要发展方向。我国也将新能源汽车产业作为国家重点发展的战略性新兴产业之一，中央和地方政府纷纷出台一系列的政策支持电动汽车的推广。2012年底专门出台的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》，明确了我国新能源汽车产业发展的主要目标和重点任务：到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50 万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200 万辆、累计产销量超过500 万辆。

电动汽车电池容量下降到额定容量的80%后就不宜继续使用，如果直接将电池淘汰，将造成资源的严重浪费。由于储能应用环境对于比能量要求不高、使用环境可控，退出使用的车载动力电池可通过储能应用来继续发挥其剩余使用价值。通过这种动力电池的梯次利用技术[1]，可以有效地延长动力电池使用寿命，降低动力电池的全寿命周期使用成本，对于推动电动汽车行业的健康发展具有重要意义。

为了提高安全性和输出性能，淘汰动力电池需要在严格筛选之后重新串、并联成组使用。目前，虽然国内外已有不少研究者对锂离子电池储能系统有所研究，如Divya 等[2]分析了电池储能对电能质量调节的经济可行性，张步涵等[3]对电池储能在改善并网风电场质量和稳定性的应用进行了研究，何洪文等[4]研究了锂离子动力电池充放电特性，马泽宇等[5]的研究指出了二次利用的锂电池组用于储能系统的均衡策略，李香龙等[6]分析了梯次利用锂离子动力电池的容量内阻特性、开路电压特性和倍率特性；但是对淘汰磷酸铁锂动力电池串、并联之后的性能还未有深入的研究。磷酸铁锂（LiFePO4）电池因具有能量密度较高、使用寿命长等[7]优点，是我国动力电池领域的主流选择。本文以淘汰磷酸铁锂动力电池为研究对象，研究在单体电池内阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC不一致等情形下，电池组的并联特性，即并联电池组中各电池直流阻抗、电流不平衡度的变化情况。

1 实验部分

1.1 实验对象

实验对象是从某电动汽车淘汰下来的磷酸铁锂动力电池，原标称电压为3.2 V，标称容量为66 A·h。经过单体电池容量、内阻测试后，从106只单体电池中挑选了3 组电池（每组3 只）进行实验：A 组电池主要考察电池内阻不一致的影响，所选电池剩余容量基本一致，电池最小内阻为0.631 mΩ，最大内阻为0.687 mΩ，偏差8.87%（表1）；B 组电池主要考察电池剩余容量不一致的影响，电池内阻基本一致，剩余容量分别为60.1 A·h、58.2 A·h 和56.2 A·h，容量最大偏差6.43%（表2）；C 组电池主要考察电池初始SOC 不一致的影响，电池剩余容量、内阻均基本一致。

表1 A 组电池参数Table 1 Parameters of the batteries in group A

表2 B 组电池参数Table 2 Parameters of the batteries in group B

表3 C 组电池参数Table 3 Parameters of the batteries in group C

图1 实验电路示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental circuit

1.2 实验方法

图1为并联电池组测试实验电路示意图。充放电测试设备采用的是BTS5300C4N 电池测试系统（宁波拜特测控技术有限公司），充、放电电压窗口为2.5～3.65 V；支路电阻采用型号为200 A/75 mV的分流器；电压表是HIOKI BT3563 电池内阻测试仪。三组实验具体测试步骤如下。

A 组：①电池A1、A2、A3以0.5 C 完全充电；②如图1所示将电池A1、A2、A3并联，电池组以0.2 C、0.5 C、1 C 分别放电，以0.5 C 完全充电，各放电倍率分别循环3 次；③在放电过程中测记各分流器电流，测各单体电池直流阻抗。

B 组：①电池B1、B2、B3以0.5 C 完全充电；②如图1所示将电池B1、B2、B3并联，电池组以1 C 放电至电压为2.5 V，以1 C 充电，循环3 次；③测记充、放电过程各分流器电流。

C 组：①电池C1、C2、C3以0.5 C 充电至SOC为80%、50%、10%；②如图1所示将电池C1、C2、C3并联，充电至3.65 V，然后以3.65 V 恒压继续充电1 h，电池组以1 C 放电至电压为2.5 V，循环3 次；③测记充、放电过程各分流器电流。

2 结果与讨论

2.1 内阻不一致实验

图2为并联电池组A 在0.2 C 放电过程中，电池组和各单体电池的电压变化曲线。可以看到单体电池之间的电压曲线基本重合，这是由于在小电流下，由内阻差别引起的电压差很小。同时也可以看到电池组电压比单体电压约低30 mV，这是由于分流器的内阻和电路接触电阻造成的压降。这从一个侧面说明了电池成组工艺的重要性，由于大容量锂电池的内阻很小，电池组中的电路接触电阻会对电池组性能造成一定的影响。此外，电池组A 在0.2 C倍率下放电容量为181.863 A·h，这与电池A1、A2、A3的容量总和（181.919 A·h）基本相等。可见在电池内阻相差不超过9%的条件下，电池并联成组之后，总容量并没有明显的损失。

图2 A 组0.2 C 放电过程电压变化曲线Fig.2 The discharge voltage curves of group A at 0.2 C rate

图3为并联电池组A 在0.2 C 放电过程中，总电流和各支路电流的变化曲线。在电池测试系统的控制下，总电流在整个放电过程都保持在36 A，各支路电流在0～4.5 h 之间相对平稳，而在之后（SOC约10%）支路电流出现了明显的变化，支路2 的电流明显上升，最高时达到15.840 A，与预计的12 A电流相比偏离了32.0%；而支路1 和支路3 的电流则急剧下降，最小电流仅有9.547 A，与平均电流12 A 相比偏离了20.4%，支路间最大电流比最小电流高出了65.9%，表现出显著的偏差。图4 是1C放电倍率下，电池组A 中各支路电流的变化曲线。可以看出，在前50 min 中各支路电流相对平稳，但绝对电流差别比0.2C 放电时更大；在50 min 之后（SOC 约17%），各支路电流出现了急剧变化，其中A2电池电流急剧上升，A1电池电流急剧下降，而A3电池电流则是先缓慢上升再下降，在放电接近结束时，A1电流高达86.773 A，而A2电流只有38.533 A，相差125.2%。支路电流之间巨大的电流差距，很可能会导致部分支路出现过流、过热，从而加速电池的衰退或引起安全事故。

并联电路各支路两端电压相等，因此支路电流的变化来自于电池内阻的变化，由图3 和图4 可知：①电池内阻并不是一个静态的参数，而是会随着电池SOC 的变化而变化，在SOC 较低时，电池的内阻会出现显著变化；②由于放电末期电池内阻的显著变化，会将电池之间的内阻不一致性放大，从而造成并联电路中支路电流之间不可忽视的偏差；③电池内阻出现显著变化的SOC 拐点与电流大小有关，大电流放电比小电流放电情况下，更快到达这个拐点。因此，在使用梯次利用的磷酸铁锂动力电池时，应避免深度放电，最大放电深度应根据不同的输出电流来设置。

图3 A 组0.2C 放电过程电流变化曲线Fig.3 The discharge current curves of group A at 0.2C rate

图4 A 组1C 放电过程支路电流变化曲线Fig.4 The discharge current curves of group A at 1C rate

为了考察电池内阻随SOC 的变化情况，在电池组A 进行1 C 放电的过程中，每放电5 min，静置2 h，然后根据静置前后的电压差来计算各个点的电池直流阻抗[8]。图5 展示了电池组A 中各支路电池的直流阻抗随放电时间的变化趋势，在放电初期和放电末期，电池直流阻抗变化极大，尤其是在末期，所测直流阻抗成倍增加，且电池之间的不一致性被放大；而在放电中段，电池直流阻抗变化很小，且三只电池之间的差别不大，基本重合。图5的结论与之前的推论基本符合，在放电后期，由于各支路电池内阻的急剧变化，导致分配到各支路的电流也出现了相应的变化。因此，为了减缓磷酸铁锂电池组内阻在SOC 高、低两侧的突变对电池不一致性的放大作用，应尽量避免电池组过度放电，可以选择在电池组SOC 中段，如SOC 在20%～80%之间，进行充、放电循环使用。同时，梯次利用的电池一致性不如新电池，更适合使用在不需要大电流充放电的场合。

图5 A 组单体电池直流阻抗图Fig.5 The DC impedance curves of the batteries in group A

2.2 容量不一致实验

容量不一致实验充、放电过程中各支路电流变化如图6 和图7所示，电池组B 在充电和放电过程中，各支路电流的变化趋势有所不同。共同点是在充、放电前期，各支路电流都比较平稳，而在后期则出现了比较明显的变化。在整个充电过程中，如图6所示，电池组恒流充电过程，支路电流保持各自初始电流值，不随充电时间的变化而变化，电流差始终保持在6 A 左右，并且各支路电流相对大小与各支路电池容量相对大小保持一致，说明容量不一致的电池并联使用时，支路电流大小与支路电池本身的充、放电能力有关。在充电53 min 之后，3个支路电流同时减小，这是由于电池组电压达到3.65 V，转为恒压充电模式的结果。

图6 B 组充电过程各支路电流的变化曲线Fig.6 The charge current curves of group B at 1 C rate

张维戈等[9]通过建立计算机仿真模型，研究了单体电池参数不一致程度和串并联连接方式对电流不平衡度的影响，发现容量存在较大差异的两只电池并联之后，充电过程形成了相互平衡的自均流现象，指出通过运用合理的筛选成组方法，可以有效提高梯次利用电池的容量利用。这与本文图6 中观察到的自均流现象是一致的，当然由于文献[9]实验中选取的电池容易差异更大，自均流现象也更明显，但是他们仅研究了容量不一致对充电过程的影响，而没分析对放电过程的影响。

图7 B 组1 C 放电过程各支路电流的变化曲线Fig.7 The discharge current curves of group B at 1 C rate

如图7所示，在放电过程中，前50 min 内，各支路间电流差保持在5.5 A 左右，自均流现象与充电过程相类似。但是在50 min 之后，在放电末期出现了与充电过程不同的现象，支路电流出现了急剧变化，支路电流相对大小反转。原来电流最大的B1电池，其所在支路电流迅速减小，在第55 min时达到39.400 A；而原来电流最小的B3电池，其所在支路电流迅速增大，在第55 min 时达到74.545 A，最大值和最小值相差35.145 A。原因可能是由于B1电池放电电流较大，所以在到达拐点时，其SOC 相比另外两只电池较低，由图5 可知，在放电末期，越低的SOC 下，电池阻抗却越大。因此，在放电第50 min 之后，虽然3 只电池的阻抗同时变大，但B1电池的阻抗变化较大，B1电池也从3 只电池中阻抗最小的一只变成了阻抗最大的一只，支路之间的电流相对大小出现了反转，B1所在支路电流从最大变成了最小，B2和B3所在支路电流则出现了增大的趋势，以保证总电流不变。

2.3 SOC 不一致实验

C 组磷酸铁锂电池中，3 只电池的初始SOC 是不一样的，依次为80%、50%和10%，从图8可见，电池组电压很快到达3.65 V，之后进入恒压充电模式。整个充电过程C3电流最大，C1电流最小，这是由于初始SOC 不同则单体电池电压差别较大，为了保证电压一致，初始SOC 为10%的电池电流瞬间增大；C1电池率先充满电，在恒压模式下，其支路电流在第10 min 之后出现快速下降，C2电池电流则在第40 min 之后才出现快速下降现象。说明由于电池初始SOC 的差异，电池充满电的时间有先后。由于后期是恒压充电模式，因此总电流在下降，并未观察到非常大的支路过流现象，也未观察到先充满电池对后充满电池进行充电的现象。

经过上述模式的充电以后，电池组C 放电过程中各支路电流的变化曲线如图9所示，在放电前50 min 内，各支路电流比较平稳，支路电流间最大偏差不超过4 A；在50 min 后，则出现了两极分化，C3、C1电池电流分别往高低方向急剧变化，C3的电流迅速增大至最大值74.002 A，最大值和最小值相差25.691 A。这种情形与图7 基本相同，在放电末期会有比较大的差异，说明在并联模式下，只要充电模式设置合理，单体电池初始SOC 不一致的情况可以逐渐得到缓解甚至消除。

图8 C 组充电过程中各支路电流的变化曲线Fig.8 The charge current curves of group C at 1 C rate

图9 C 组放电过程中各支路电流的变化曲线Fig.9 The discharge current curves of group C at 1 C rate

3 结 论

为了实现动力电池的梯次利用，本文以淘汰磷酸铁锂动力电池作为研究对象，考察了单体电池在内阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC 不一致这三种情形下电池组的并联特性，结论如下。

（1）磷酸铁锂电池的直流阻抗随着电池SOC的变化而变化，在SOC 较低时，电池的内阻显著增大，会将电池之间的内阻不一致性放大，造成并联电池各支路电流成倍的偏差。电池内阻出现显著变化的SOC 拐点与电流大小有关，大电流放电比小电流放电情况下，更快到达这个拐点。因此，为了减缓磷酸铁锂电池组内阻在SOC 高、低两侧的突变对电池不一致性的放大作用，应尽量避免电池组过度放电，可以选择在电池组SOC 中段使用。

（2）在电池容量相差不超过7%的条件下，电池组充、放电前期电流平稳，在放电末期出现较大差异，放电后期电流大小变化甚至出现反转现象。

（3）并联电池组单体电池初始SOC 不一致的情况可以在恒压充电模式下逐渐得到缓解。

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