三元動力鋰電池組全生命周期最優壽命均衡策略

屈 濤，張八合

（1.陜西煤業化工技術研究院有限責任公司，陜西 西安 710070； 2.陜西師范大學 化工學院，陜西 西安 710119）

隨著電池組中的電池數量持續增加，易出現一定程度的個體差異，當不同電池組之間產生不一致的情況時，會對成組性能及壽命造成不利影響，導致電動汽車無法達到設定的續駛里程目標，降低其使用安全性［1-3］。在實際組裝電池組過程中，無法完全消除不同單體電池之間的初始性能偏差，在激勵電流相同的條件下，每個單體的工作狀態變化較大，性能差異性更加明顯，在長期過程中產生正反饋的效果，又被快速放空，對電池組綜合性能及使用率造成明顯影響［4］。

電池成組無法克服一致性問題，可利用電池均衡的方法對其實行干預，電池組真實容量通常比其中某一單體容量更低［5］。為確保單體電池達到同樣的電壓及荷電狀態（state of charge，SOC），最大限度地發揮最低容量的單體容量，是獲得均衡電池性能的基礎方式［6-7］。郭宏等［8］根據能量利用率的情況，認為完成充電后，所有單體電池都達到滿電狀態，從而調節整組電池達到最大能量值。從保持均衡層面考慮，可通過直接測試的方式獲得單體電壓，因此根據電壓實現均衡狀態的方法被廣泛應用。郭向偉等［9］通過研究電感儲能的機制，設計了一種以單電感實現的串并聯電池組控制技術，確保高電量、低電量單體分別實現放電與充電過程的均衡控制；該系統的結構與控制模式都較為簡單，且占用體積較小，同時可根據后續功能需求靈活擴展。劉春輝等［10］根據SOC 參數開發了一種可自主均衡控制的電池管理系統，調節DC/DC 變換器及開關電路，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移，實現均衡調節。吳舒婕等［11］重點研究均衡電路發熱所導致的熱安全控制過程，構建了一套適合電池管理系統均衡調節的熱力學模型，根據仿真測試結果，獲得均衡電路板的準確溫度。

為獲得最優的電池組壽命，本文設計了一種可提升電池組一致性的均衡方案，并驗證了其可靠性。

1 研究對象

本實驗選擇18650 三元鋰電池作為測試對象，電池單體的各項參數見表1。依次通過Chroma 和Neware 設備標定電池性能，并測試其充放電循環特性，再通過Partner 恒溫箱將測試溫度調節至25 ℃，避免受溫度因素干擾，引起老化結果變化。

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

2 工作區間對電池老化的影響

對電池工作狀態下的循環SOC 區間，以放電深度（depth of discharge，DOD）和SOC 均值作為判斷依據，同時分析各DOD 條件下電池發生老化的作用機制［12］，設定電池循環依次為20%、40%和60%DOD，測試矩陣見表2。

表2 電池老化測試矩陣Tab.2 Battery aging test matrix

測試期間以50 次為間隔等效循環，完成電池的容量標定，對比電池經過不同次數循環處理后的性能變化趨勢。標定容量的過程為：控制25 ℃充電，直至形成4.20 V 電壓，將此狀態作為滿充標準，之后對電池持續靜置處理10 min，直到電壓達到2.55 V，再對釋放電量進行數據記錄。

將初期標定的電池容量作為基礎，測試不同循環次數下，對應的量綱歸一化放電容量，結果如圖1所示。由圖可知，在各工作區間內循環處理后的電池表現出不同的容量衰減速率，當電池處于高SOC區間時，容量快速衰減，介于95%～75%及85%～65%SOC 區間時，衰減9%。介于55%～15% 和75%～15%區間時，表現出最慢單體容量衰減特性，可得電池位于中間偏低SOC 區間時，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Fig.1 Capacity variation trend of each battery

3 電池組壽命均衡策略

3.1 最優壽命均衡策略

在實際調節時，為保持壽命均衡狀態，明確每個單體SOC 循環區間處于自由配置的狀態，要求電池循環期間DOD 不超過100%?；诖?，本次實驗對50 輛電動汽車一年中的運行數據展開分析，獲得電動汽車運行期間不同DOD 條件下的頻率差異性，結果如圖2 所示。由圖2 可知，實際運行期間，電動汽車未頻繁產生DOD，DOD 在80%以內的比例達92%，為全面評估電動汽車續航里程與壽命均衡狀態下的SOC 最優范圍，將80%DOD 作為下限指標，對應放電起點SOC調節區間為20%。

圖2 不同DOD出現頻率分布Fig.2 Frequency distribution of different DOD

擬合各測試數據獲得的各區間循環容量衰減系數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FC，當DOD 提高時，FC也明顯增大，經測試可得，高SOC 區間與高DOD循環處理時，容量衰減更快。將DOD 控制下限設定為80%時，SOC 均值至少達到40%，此時單體電池的最佳區間包括40%SOC 均值和80%DOD，確保電池在最低SOC區間范圍內循環。

圖3 容量衰減系數FC與工作區間關系Fig.3 Relationship between capacity attenuation coefficient FC and working interval

上述測試結果表明，不同區間的電池老化測試速率存在較大差異。循環測試前，先確保容量最差單體達到80%放電起點SOC，剩余各項單體達到100%SOC；循環充放電時，保證最差單體SOC 在80%內，以相同均衡方法調節此單體放電起點SOC位于80%，確保容量衰減速率相對最差單體更慢，實現充分放電效果，同時控制組內所有單體電池都達到一致程度。

3.2 試驗驗證

使用電池組，并不是各條件下都會出現單體容量比其他單體更優或更差的結果，可能出現其中某幾節電池容量狀態相近，或相對其他單體容量更差的結果。對電池容量的估計會產生一定的偏差，因此在實際使用中，通過模糊方法分析電池容量差異，將最差單體放電起點SOC 設定在80%，設定其他單體的放電起點SOC等于100%。

本文驗證了4 串電池組的壽命均衡方案，優化了電池組的一致性變化規律，判斷最終均衡性能。試驗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Tab.3 Initial capacity of each monomer in life equalization test

考慮到電池呈分散的容量狀態，選擇動態變化壽命均衡策略，結合實際容量產生調節每個單體為“最差單體”或“其余單體”，確保整組電池獲得同樣的長時間尺度。上述做法按照50 次的周期進行循環測試，完成容量標定，如間隔時間太長，會導致容量過于均衡，不能實現單體工作區間的準確調節。測試期間，經不同次數循環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，循環處理250 次后，所有單體電池均達到相近容量，同時容量一致性也由0.006 3 減小為0.001 2，均衡效果良好。

圖4 壽命均衡試驗結果Fig.4 Test results of life equalization

本文設計壽命均衡策略優化了長時間尺度范圍內電池組容量一致性，解決了電池組惡化循環問題，確保電池組在全生命周期內獲得最大累計放電量。

4 結論

本文開展三元動力鋰電池組全生命周期最優壽命均衡策略分析，取得如下有益結果：

（1） 在各工作區間內循環處理后的電池表現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 區間和高DOD 循環處理時，容量衰減更快。以相同均衡方法調節此單體放電起點SOC 位于80%，確保容量衰減速率相對最差單體更慢，實現充分放電效果，確?？刂平M內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，循環處理250 次后，所有單體電池均達到相近容量，容量一致性也由0.006 3 減小為0.001 2，均衡效果良好。該均衡策略實現了長時間尺度范圍的電池組容量一致性優化。