三元动力锂电池组全生命周期最优寿命均衡策略

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。