三元动力锂电池组全生命周期最优寿命均衡策略
2023-12-24张八合
屈 涛,张八合
(1.陕西煤业化工技术研究院有限责任公司,陕西 西安 710070; 2.陕西师范大学 化工学院,陕西 西安 710119)
随着电池组中的电池数量持续增加,易出现一定程度的个体差异,当不同电池组之间产生不一致的情况时,会对成组性能及寿命造成不利影响,导致电动汽车无法达到设定的续驶里程目标,降低其使用安全性[1-3]。在实际组装电池组过程中,无法完全消除不同单体电池之间的初始性能偏差,在激励电流相同的条件下,每个单体的工作状态变化较大,性能差异性更加明显,在长期过程中产生正反馈的效果,又被快速放空,对电池组综合性能及使用率造成明显影响[4]。
电池成组无法克服一致性问题,可利用电池均衡的方法对其实行干预,电池组真实容量通常比其中某一单体容量更低[5]。为确保单体电池达到同样的电压及荷电状态(state of charge,SOC),最大限度地发挥最低容量的单体容量,是获得均衡电池性能的基础方式[6-7]。郭宏等[8]根据能量利用率的情况,认为完成充电后,所有单体电池都达到满电状态,从而调节整组电池达到最大能量值。从保持均衡层面考虑,可通过直接测试的方式获得单体电压,因此根据电压实现均衡状态的方法被广泛应用。郭向伟等[9]通过研究电感储能的机制,设计了一种以单电感实现的串并联电池组控制技术,确保高电量、低电量单体分别实现放电与充电过程的均衡控制;该系统的结构与控制模式都较为简单,且占用体积较小,同时可根据后续功能需求灵活扩展。刘春辉等[10]根据SOC 参数开发了一种可自主均衡控制的电池管理系统,调节DC/DC 变换器及开关电路,控制电池单体的充放电,可满足不同电池组之间的能量快速转移,实现均衡调节。吴舒婕等[11]重点研究均衡电路发热所导致的热安全控制过程,构建了一套适合电池管理系统均衡调节的热力学模型,根据仿真测试结果,获得均衡电路板的准确温度。
为获得最优的电池组寿命,本文设计了一种可提升电池组一致性的均衡方案,并验证了其可靠性。
1 研究对象
本实验选择18650 三元锂电池作为测试对象,电池单体的各项参数见表1。依次通过Chroma 和Neware 设备标定电池性能,并测试其充放电循环特性,再通过Partner 恒温箱将测试温度调节至25 ℃,避免受温度因素干扰,引起老化结果变化。
表1 电池单体基本参数Tab.1 Basic battery parameters
2 工作区间对电池老化的影响
对电池工作状态下的循环SOC 区间,以放电深度(depth of discharge,DOD)和SOC 均值作为判断依据,同时分析各DOD 条件下电池发生老化的作用机制[12],设定电池循环依次为20%、40%和60%DOD,测试矩阵见表2。
表2 电池老化测试矩阵Tab.2 Battery aging test matrix
测试期间以50 次为间隔等效循环,完成电池的容量标定,对比电池经过不同次数循环处理后的性能变化趋势。标定容量的过程为:控制25 ℃充电,直至形成4.20 V 电压,将此状态作为满充标准,之后对电池持续静置处理10 min,直到电压达到2.55 V,再对释放电量进行数据记录。
将初期标定的电池容量作为基础,测试不同循环次数下,对应的量纲归一化放电容量,结果如图1所示。由图可知,在各工作区间内循环处理后的电池表现出不同的容量衰减速率,当电池处于高SOC区间时,容量快速衰减,介于95%~75%及85%~65%SOC 区间时,衰减9%。介于55%~15% 和75%~15%区间时,表现出最慢单体容量衰减特性,可得电池位于中间偏低SOC 区间时,老化最缓慢。在逐渐提升DOD中,电池容量衰减更快。
图1 各单体电池容量变化趋势Fig.1 Capacity variation trend of each battery
3 电池组寿命均衡策略
3.1 最优寿命均衡策略
在实际调节时,为保持寿命均衡状态,明确每个单体SOC 循环区间处于自由配置的状态,要求电池循环期间DOD 不超过100%。基于此,本次实验对50 辆电动汽车一年中的运行数据展开分析,获得电动汽车运行期间不同DOD 条件下的频率差异性,结果如图2 所示。由图2 可知,实际运行期间,电动汽车未频繁产生DOD,DOD 在80%以内的比例达92%,为全面评估电动汽车续航里程与寿命均衡状态下的SOC 最优范围,将80%DOD 作为下限指标,对应放电起点SOC调节区间为20%。
图2 不同DOD出现频率分布Fig.2 Frequency distribution of different DOD
拟合各测试数据获得的各区间循环容量衰减系数FC如图3 所示。由图3 可知,在高SOC 均值下,可获得更高容量衰减系数FC,当DOD 提高时,FC也明显增大,经测试可得,高SOC 区间与高DOD循环处理时,容量衰减更快。将DOD 控制下限设定为80%时,SOC 均值至少达到40%,此时单体电池的最佳区间包括40%SOC 均值和80%DOD,确保电池在最低SOC区间范围内循环。
图3 容量衰减系数FC与工作区间关系Fig.3 Relationship between capacity attenuation coefficient FC and working interval
上述测试结果表明,不同区间的电池老化测试速率存在较大差异。循环测试前,先确保容量最差单体达到80%放电起点SOC,剩余各项单体达到100%SOC;循环充放电时,保证最差单体SOC 在80%内,以相同均衡方法调节此单体放电起点SOC位于80%,确保容量衰减速率相对最差单体更慢,实现充分放电效果,同时控制组内所有单体电池都达到一致程度。
3.2 试验验证
使用电池组,并不是各条件下都会出现单体容量比其他单体更优或更差的结果,可能出现其中某几节电池容量状态相近,或相对其他单体容量更差的结果。对电池容量的估计会产生一定的偏差,因此在实际使用中,通过模糊方法分析电池容量差异,将最差单体放电起点SOC 设定在80%,设定其他单体的放电起点SOC等于100%。
本文验证了4 串电池组的寿命均衡方案,优化了电池组的一致性变化规律,判断最终均衡性能。试验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Tab.3 Initial capacity of each monomer in life equalization test
考虑到电池呈分散的容量状态,选择动态变化寿命均衡策略,结合实际容量产生调节每个单体为“最差单体”或“其余单体”,确保整组电池获得同样的长时间尺度。上述做法按照50 次的周期进行循环测试,完成容量标定,如间隔时间太长,会导致容量过于均衡,不能实现单体工作区间的准确调节。测试期间,经不同次数循环得到的各单体电池容量如图4 所示。由图4 可知,电池组的一致性得到显著改善,循环处理250 次后,所有单体电池均达到相近容量,同时容量一致性也由0.006 3 减小为0.001 2,均衡效果良好。
图4 寿命均衡试验结果Fig.4 Test results of life equalization
本文设计寿命均衡策略优化了长时间尺度范围内电池组容量一致性,解决了电池组恶化循环问题,确保电池组在全生命周期内获得最大累计放电量。
4 结论
本文开展三元动力锂电池组全生命周期最优寿命均衡策略分析,取得如下有益结果:
(1) 在各工作区间内循环处理后的电池表现出不同容量的衰减速率,逐渐提升DOD 中,电池容量衰减更快。
(2) 高SOC 区间和高DOD 循环处理时,容量衰减更快。以相同均衡方法调节此单体放电起点SOC 位于80%,确保容量衰减速率相对最差单体更慢,实现充分放电效果,确保控制组内所有单体电池容量一致性。
(3) 电池组的一致性获得了显著改善,循环处理250 次后,所有单体电池均达到相近容量,容量一致性也由0.006 3 减小为0.001 2,均衡效果良好。该均衡策略实现了长时间尺度范围的电池组容量一致性优化。