三元锂电池组最优寿命均衡策略设计及试验验证

2023-09-18李参

机械设计与研究 2023年3期

李参

(1.华中农业大学工学院,武汉 430070,E-mail: licanhx2022@163.com;2.漯河食品职业学院汽车工程系,河南漯河 462300)

循环寿命长、高能量、工作电压高等均是锂离子电池的优良特性,因而在多个领域内得到广泛应用[1]。电池成组技术常见于车用动力电池系统构建当中,由于汽车动力系统庞大,而单个锂离子电池仅能达到2.5 V～4.2 V的电压值,电池组构成所需的并联电池多达几十乃至成百上千节[2]。个体差异性也随着数量不断增加的电池数量而产生,成组使用寿命及性能的影响因素就包含电池组一致性问题,这种情况下会导致电动汽车使用安全性及续航能力受到严重影响。各单体工作状态在激励电流相同的情况下产生的变化都各不相同,性能差异也因此越发显著,长期以来正反馈效果逐渐产生[3-4]。

由于一致性问题始终存在于电池成组过程当中,需采取一定干预措施,目前最常用的方法就是电池均衡法。通常将容量大小进行对比,单个电池高于电池组[5]。为了确保储能系统的经济性及运行寿命,必须将充放电功率信息快速获取,及时干预充放电过于频繁性或过度等情况,充电速度的提高需要尽可能提高可用功率,电池在充电过程中的老化程度将得到有效减缓[6-7]。曹朔等[8]则在升降压模块的基础上构建分层均衡电路拓扑,与传统分层均衡策略进行研究对比,发现在平均时间效率方面,在三种电池状态下这种均衡策略比传统策略约提高30.4%。徐鹏等[9]通过实验验证串联电池组一致性可在软开关DC2C均衡电路的作用下得到有效提高,该电路基础器件为谐振变换器,为开关损耗大、器件数量多等存在于以电感储能为基础的传统均衡电路中的难题提出了有效解决方案。李卿鹏等[10]以开关矩阵为基础,结合电源储能蓄电池工作特性,完成了主被动混合均衡拓扑的构建。最终经过大量实验验证,该拓扑易控制、结构简单且具有较高可靠性,具有应用价值。

为减少电池充电过程中的能量损耗、提高均衡速度,于仲安等[11]则结合可重构均衡电路以及Buck-Boost均衡电路,并以开关电感为基础构建可重构Buck-Boost充电均衡拓扑,在制定均衡策略时充分考虑到锂电池荷电状态(SOC)分布情况。郑征等[12]结合自适应交错控制策略以及主动均衡拓扑,后者以三绕组变压器作为基本元器件,提出的多类型均衡方案能高效且快速完成电池组均衡,始终维持均衡电路工作于最佳状态,可行性较高。吴忠强等[13]在多锂电池组SOC均衡过程中应用锂电池荷电状态(SOC)估计方法,该方法能实现突变状态的快速跟踪,使得充放电过程中电池组容量不一致性得到有效降低,同时还能按照1%的标准范围控制电池组离散度,电池使用寿命及容量利用率均得到显著提高。王鹿军等[14]为提高电池充电状态测量估计的精准性,在电池充电末期采用被动均衡,将反应时间进行延长,为保证均衡效率提高,采用主动均衡方式同时减少元器件,这种控制策略可实现双阈值动态式主被动均衡。

综上所述,采用电池均衡方法能有效干预电池成组一致性问题。本文在此基础上以电池组寿命提高为目标,完成均衡方案的设计,实验结果证明该策略在电池组一致性提升方面具有显著成效,可行性较高。

1 研究对象

本实验选取的测试对象为18650三元锂电池,详细参数指标见表1。首先对电池的充放电循环特性进行测试,将电池性能标定设备分别为Chroma与Neware,为避免老化结果受温度因素影响,按照恒定温度值25 ℃的标准使用Partner恒温箱进行温度调节。

表1 电池单体基本参数

电池中的锂在其放电过程中将产生锂离子,从锂电池阳极转移至阴极。从电极本质来看,相比于金属锂电池,锂电池中的锂离子电极无变化。通常,石墨晶体、二氧化锂分别为锂电池的阳极、阴极材料。电池在充电过程中,锂离子和电子由锂原子在阴极电离产生,阳极锂原子由电子与向阳极移动靠近的锂离子合成。电池在放电过程中,锂离子和电子则在石墨晶体阳极表面由锂原子电离而成,锂原子在阴极合成。

2 工作区间对电池老化的影响

通常情况下,SOC均值、放电深度(ΔDOD)参数用于判断循环SOC区间,此时电池处于工作状态,对电池老化作用机制在不同ΔDOD条件下进行分析[15],表2给出20%、40%、60%ΔDOD电池循环下获取的测试矩阵。

表2 电池老化测试矩阵

标定电池容量需等效循环实现,间隔次数为50,此时为容量及性能测试环节,还需对电池性能在多次循环处理后状态改变情况进行对比分析[16]。在标定电池容量时,首先需要设置满充标准,要求电池充电状态保持在25 ℃,电压最大值为4.2 V,完成这一步骤后需要在10 min内静置电池,该阶段需要对其进行放电操作,记录电池释放电量值,此过程需保持电流值为1C,直至电压下降至2.55 V。

如图1所示,利用归一化处理不同循环次数下相对电池初期容量实际放电容量测试值。通过观察发现,从电池容量衰减速率来看,经循环处理后各工作区间呈现出的变化规律各不相同。最慢单体容量衰减特性在55%～15%SOC区间呈现,这意味着最缓慢老化现象在SOC区间中间偏低处出现。在分析对比循环次数相同的结果发现,电池容量衰减速率随着ΔDOD的提升而逐渐加快。

3 电池组寿命均衡策略

3.1 最优寿命均衡策略

SOC循环区间内各单体状态为自由配置,为确保寿命均衡状态始终维持,所以在实际调节过程中需要确保ΔDOD在循环期间最大为100%。将50辆电动汽车运行情况作为研究对象,参考上述结果分析一年内运行数据,经统计处理得到了如图2所示的不同ΔDOD条件下电动汽车运行频率间存在的差异情况。经观察发现,ΔDOD在电动汽车实际运行过程中的产生并不频繁,在80%以内ΔDOD达到92%的占比,因此设置下限指标为80%ΔDOD,对寿命均衡状态下电动汽车续航里程的SOC最优范围展开全面性评估,将20%作为放电起点SOC调节区间。

▲图2 不同ΔDOD出现频率分布

FC为循环容量衰减系数,由各测试数据拟合所得,具体数值可见图3。通过观察得到,容量衰减系数FC在SOC均值达到最高值时也达到最大,FC随着ΔDOD的增大而不断提高,结合实验测试结果,发现循环处理过程中,容量衰减在高ΔDOD与高SOC区间增快。单体电池最佳区间对应的SOC均值和ΔDOD分别为40%、80%。

▲图3 容量衰减系数FC与工作区间关系

综合对比以上研究结果,发现电池老化测试速率在不同区间内的变化情况各不相同。最差单体SOC在循环充放电过程中需要控制于80%以下,保证放电效果最佳,与最差单体容量相比,衰减速率更慢,还需控制单体电池在组内一致程度相同。

3.2 试验验证

本文针对寿命均衡性能对4串电池组的方案进行了对比验证,在此基础上完成一致性变化规律的优化,在此过程中“均衡”性能作为主要评判标准。首先将电池组分成2组试样,第一组主要模拟不同单体之间存在的差异性,第二组则是分析单体间梯度分布情况,4串电池组初期容量见表3。

表3 寿命均衡试验各单体初始容量

在对第一组寿命进行均衡测试的过程中,电池组循环次数为150次,电池容量标定周期为50次,每次循环后各单体电池容量数值可通过图4获取。

▲图4 寿命均衡第一组试验结果

更差或更优单体容量与其他单体相比并非在各条件下均产生,实际使用电池组的过程中,单体容量更差、某几节电池容量状态相似等情况都有可能产生,况且在计算估计电池容量时存在多种干扰因素,必然会导致结果偏差,通常按照SOC为100%、80%的标准分别设置其余单体、最差单体的放电起点。

由于电池容量分散情况易出现在第二组试验过程中,寿命均衡策略的选取要考虑动态性,电池组的长时间尺度保持一致。标定容量的周期为50次,容量过均衡问题很容易因为间隔时间过长而产生,这种情况下将难以保证精准调节单体工作区间。各单体电池容量经不同次数循环在测试期间的变化情况如图5所示。通过观察可得,循环测试可有效改善电池组的一致性,同时各单体电池容量经250次循环处理之后几乎相同,均衡效果表现较为优异,容量一致性减至0.001 2,缩减0.005 1。

电池组恶化循环问题可通过本文提出的寿命均衡策略得到有效消除,同时能优化处理电池组容量一致性问题,在长时间尺度范围内累计放电量可达到最大。