磷酸鐵鋰電池并聯(lián)充放電特性研究

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1、萬方數(shù)據(jù)高技術(shù)通訊2012年第22卷第2期：205—210doi：10．3772／j．issn．1002-0470．2012．02．015磷酸鐵鋰電池并聯(lián)充放電特性研究①時(shí)瑋②姜久春③張維戈林思岐張彩萍(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院北京100044)摘要針對(duì)動(dòng)力鋰離子電池成組后性能比單體性能明顯降低的問題，分析了電池不一致性產(chǎn)生的原因，在此基礎(chǔ)上，研究了電池單體充放電性能和老化過程一定時(shí)，電池的成組方式和電池參數(shù)不一致程度對(duì)整組電池性能的影響。重點(diǎn)以磷酸鐵鋰電池為研究對(duì)象，分別對(duì)不同并聯(lián)電池?cái)?shù)量和不同充放電倍

2、率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，分析了電池并聯(lián)情況下直流內(nèi)阻、電池容量、極化電壓、荷電狀態(tài)等因素對(duì)電池工作電流和電壓的影響，提出了并聯(lián)電池不平衡電流的判斷依據(jù)，從而為電池系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)和提高成組電池的性能提供依據(jù)。關(guān)鍵詞并聯(lián)，不一致性，磷酸鐵鋰，不平衡度0引言國(guó)產(chǎn)動(dòng)力鋰離子電池單體容量一般在150Ah以內(nèi)，為了滿足電動(dòng)汽車車速和續(xù)駛里程的要求，不但需要將電池串聯(lián)到一定的電壓等級(jí)，還需要將電池并聯(lián)從而達(dá)到較高的容量。2008年北京奧運(yùn)會(huì)用純電動(dòng)公交車采用了4只90Ah電池并聯(lián)的方案，2010年上海世博會(huì)用純電動(dòng)公交車也采用了

3、類似的多只電池先并聯(lián)后串聯(lián)的成組方案。多批電動(dòng)汽車長(zhǎng)期的成功示范運(yùn)行對(duì)研究動(dòng)力電池組的性能有重要的意義。根據(jù)應(yīng)用的要求，近年來國(guó)內(nèi)外電池應(yīng)用人員對(duì)電池性能進(jìn)行了深入的研究，文獻(xiàn)[1]對(duì)電池單體在循環(huán)工況下的性能進(jìn)行了測(cè)試，分析了電池容量的失效機(jī)理；文獻(xiàn)[2，3]利用電化學(xué)模型和等效電路參數(shù)模型對(duì)電池性能衰退進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[4]闡述了電池成組后面臨的安全性問題，并介紹了鋰離子電池充放電過程的控制管理技術(shù)。關(guān)于動(dòng)力電池的連接方式對(duì)電池組性能的影響，以及對(duì)整個(gè)電池組的容量和能量利用率，并沒有進(jìn)行全面、深入的分

4、析。分析動(dòng)力鋰離子電池的特性，通常是指分析單體電池的特性，如不同倍率下的充放電特性、不同溫度下的充放電特性、不同老化程度下的充放電特性等。當(dāng)電池組中的單體電池的特性完全一致時(shí)，電池組的特性才體現(xiàn)出與單體電池一致并滿足一定的規(guī)律。然而由于不一致性的存在，評(píng)價(jià)電池組的性能并不能將電池單體性能進(jìn)行疊加，往往動(dòng)力鋰離子電池串并聯(lián)成組后性能會(huì)比單體性能進(jìn)一步降低∞J。髓著使用時(shí)間和循環(huán)次數(shù)的增加，電池容量衰退和老化過程的不同還會(huì)加劇成組電池性能與單體電池性能的差異。帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)在一定程度上緩解了串聯(lián)電

5、池組的不一致問題，使串聯(lián)電池組容量和能量利用率最大化∞J。本文首先分析了電池不一致性的產(chǎn)生原因，然后對(duì)并聯(lián)電池的充放電性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。1不一致性分析電池組出現(xiàn)不一致將導(dǎo)致電池的利用效率下降，以及電動(dòng)車輛的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行效率下降。充放電過程中，性能最差的電池決定了電池組的性能。隨著電池的老化，容量和性能差的電池更加容易出現(xiàn)嚴(yán)重的兩端極化和發(fā)熱，導(dǎo)致電池的容量加速衰退，使得電池的容量和性能利用率更低，電池組出現(xiàn)更嚴(yán)重的不一致性。1．1不一致產(chǎn)生的原因電池在生產(chǎn)和使用過程中不可能做到完全一致，所以電池的一

6、致性是相對(duì)的。首先，電池在生產(chǎn)的過程中因工藝、配料以及雜①863計(jì)劃(2007AAllAl03)資助項(xiàng)目。②男，1984年生，博士生；研究方向：汽車電子和測(cè)控技術(shù)；E-mail：06121679@bjtu．edu．cn③通訊作者，E-mail：jcjiang@bjtu．edu．cn(收稿13期：2010．10-08)---——205---——萬方數(shù)據(jù)高技術(shù)通訊2012年2月第22卷第2期質(zhì)含量的差異會(huì)導(dǎo)致電池的初始內(nèi)阻、容量等方面的差異。特別是大容量的動(dòng)力鋰離子電池的生產(chǎn)尚未完全實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化，電池的制造工

7、藝不能有效地保障電池初始性能的一致性，當(dāng)電池的一致性要求太高的時(shí)候，電池的成品率大大下降，使得電池的價(jià)格增加。相對(duì)于大容量單體的生產(chǎn)情況，國(guó)內(nèi)小容量單體電池的一致性由于自動(dòng)化生產(chǎn)而得到了保證。其次，電池組不一致和使用過程相關(guān)(如溫度、充放電倍率、極化效應(yīng)、自放電等)，而且具有很強(qiáng)的非線性，電池單體的性能同時(shí)受環(huán)境的影響致使電池參數(shù)的不一致性增強(qiáng)，這使得電池成組后的使用過程更加復(fù)雜，同時(shí)成組后的功率特性，以及成組后的容量和能量利用率更加難于控制。1．2改善成組性能分析即使在電池出廠時(shí)經(jīng)過嚴(yán)格篩選后配組的電池

8、，也會(huì)由于電池的使用環(huán)境、溫度場(chǎng)以及自放電性能等方面的差異使得電池在使用一段時(shí)間后在內(nèi)阻、容量以及荷電狀態(tài)(stateofcharge，SOC)等方面出現(xiàn)差異，所以電池的不一致性問題仍然存在。改善電池工作的電流、溫度環(huán)境，分析電池容量衰退和老化機(jī)制，通過高效的均衡方法彌補(bǔ)充電效率和自放電帶來的SOC差異等措施的采用，會(huì)緩解串聯(lián)電池組的容量差異并提高整組電池的容量和能量利用率，但是多批車輛運(yùn)行情況表明，電池維護(hù)的工作仍然是必需的