基于電芯替換的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組維護方法

鋰電池憑借其能量密度高、體積密度高、工作電壓高、無(wú)記憶效應、自放電低且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，成為電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力源的最佳選擇。為滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)功率驅動(dòng)需求，一般需要將鋰電池電芯串聯(lián)使用以提高電壓等級。

串聯(lián)電池組存在循環(huán)使用壽命達不到設計壽命的問(wèn)題，一方面是在串聯(lián)電池組的實(shí)際應用中，個(gè)別電芯的衰減速率明顯快于其他電芯，從而影響該電芯所在電池組的性能;另一方面是各電芯的充/放電特性不一致，電芯的充/放電特性差異會(huì )造成充/放電時(shí)電量的不平衡，從而對過(guò)充電或過(guò)放電的電池造成損害，影響整個(gè)電池組的使用壽命。

運營(yíng)數據表明，采用傳統充電方式，鋰電池組(80V 60Ah磷酸鐵鋰電池組)充/放電近500多次循環(huán)后，實(shí)際可用容量降為原來(lái)的80%左右，而且隨著(zhù)充電次數的增加，實(shí)際可用容量還將進(jìn)一步下降。

顯然，如何維持動(dòng)力電池組的可用容量和延長(cháng)使用壽命是目前急需解決的重要問(wèn)題。此外，某些電池組在使用過(guò)程中循環(huán)壽命嚴重低于正常值。以下分析某電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組可用容量驟然下降的現象，指出“短板電芯”是導致可用容量下降的原因之一，提出用電芯替換方法來(lái)提高串聯(lián)電芯的一致性水平。

試驗結果表明使用該方法可使某性能異常的磷酸鐵鋰電池組(80V 60Ah)實(shí)測循環(huán)壽命從158次提高至629次，提高了成組動(dòng)力電池組的實(shí)際可用容量和循環(huán)使用壽命。

1.某動(dòng)力電池組循環(huán)壽命測試分析

1.1 動(dòng)力電池組循環(huán)壽命測試方案

動(dòng)力電池組主要由24節磷酸鐵鋰電池電芯、電池管理系統以及電連接器等組成。每節磷酸鐵鋰電芯參數為3.2V60Ah。

使用循環(huán)充放電測試儀對動(dòng)力電池組進(jìn)行循環(huán)壽命測試，試驗方法和步驟如下：

(1)20℃下靜置10min，以87.6V電壓30A電流恒流充電，然后恒壓充電至電流為3A時(shí)，充電停止;保護電壓3.7V，當電芯電壓超過(guò)3.7V時(shí)充電立即停止;

(2)靜置10min，5A電流恒流放電至2.8V;

(3)重復步驟(1)-(2)，循環(huán)至初始容量的80%左右，統計循環(huán)壽命。

記錄的過(guò)程數據包含：時(shí)間、端電壓、電流、溫度、充放電容量、壓差、24 節電芯各自的電壓。

1.2 動(dòng)力電池組循環(huán)壽命測試結果

電池的循環(huán)使用壽命是評價(jià)電池性能的一項重要指標，指以電池充電和放電1次為1個(gè)循環(huán)，按照一定測試標準，當電池容量(一般為放電容量)降到某一規定值(一般規定為初始容量的80%)以前，電池經(jīng)歷的充/放電循環(huán)總次數。

根據以上測試方案，電池組的初始容量為60Ah，當電池組循環(huán)過(guò)程中低于48Ah時(shí)，停止測試，統計循環(huán)次數為159次。

循環(huán)壽命測試曲線(xiàn)如圖1所示。電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組循環(huán)壽命159次后，放電容量已經(jīng)下降到47.9Ah，首次跌破48Ah(初始容量的80%)，所以此動(dòng)力電池組的循環(huán)壽命為158次，此循環(huán)壽命遠低于平均次數，判斷此電池組為異常電池組。

2.動(dòng)力電池組循環(huán)壽命短板效應分析

2.1 短板效應

短板效應又稱(chēng)木桶原理，即一個(gè)水桶無(wú)論有多高，它盛水的高度取決于其中最短的那塊木板，要想提高木桶的容量，就應該設法加高最短的那塊木板的高度，這是最有效也是惟一的途徑。該原理形象地描述了怎樣確定一個(gè)整體的實(shí)力以及怎樣提高整體實(shí)力的問(wèn)題，已廣泛應用在企業(yè)管理、人力資源和經(jīng)濟管理等方面。

在串聯(lián)電池組的實(shí)際應用中，由于電芯的不一致性，為了保證電芯不過(guò)充或過(guò)放，對每個(gè)電芯設置了統一的充電及放電保護電壓。所以當某個(gè)電芯電壓達到了保護電壓時(shí)，動(dòng)力電池組即停止充電或放電過(guò)程。

2.2 動(dòng)力電池組循環(huán)壽命衰減研究

動(dòng)力電池組循環(huán)充/放電過(guò)程中，對之前159次充電過(guò)程中最早達到充電保護上限電壓的電芯進(jìn)行統計，統計結果如圖2所示。

動(dòng)力電池組在做循環(huán)壽命測試中，24節電芯中的第2，5，10，17，23節到達充電保護上限電壓的次數分別為7，10，240，11，8次，第10節到達充電保護上限電壓的次數占總次數的86.16%。

根據“短板效應”分析，24節電芯中的第10節是電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組循環(huán)壽命縮短的主要原因，將這樣的電芯稱(chēng)為“短板電芯”。通過(guò)更換“短板電芯”，提高電芯一致性，有望提升動(dòng)力電池組的可用容量。

3.電芯替換技術(shù)

電芯替換技術(shù)主要解決電池組在電芯替換時(shí)，替換的電芯與原電池組的匹配問(wèn)題，匹配性的好壞直接決定了替換后電池組的使用壽命。

3.1 電池配組系統

電池配組系統的工作流程如下：

(1)用于替換的電芯(可以是新電芯也可以是舊電芯)，通過(guò)電芯性能測試系統，獲得該電池的開(kāi)路電壓、容量、充/放電曲線(xiàn)等信息，并錄入到電芯模型庫中，該模型庫中存有所有擬用于替換的電芯信息;

(2)待配組的電池組通過(guò)電池組性能檢測系統，獲得電池組內所有電芯的開(kāi)路電壓、容量、充/放電曲線(xiàn)等信息，準確挑出需要更換的“短板電芯”，同時(shí)根據該箱電池中其他電芯的真實(shí)性能和容量整體評估的結果，給出需要進(jìn)行匹配的電芯需求信息;

(3)通過(guò)電芯的開(kāi)路電壓、容量、充/放電曲線(xiàn)的比對，在電芯模型庫中，找出匹配度較好的電芯，測試通過(guò)則替換過(guò)程完成。

3.2 電池組性能檢測

電池組性能檢測系統主要是有2個(gè)功能：通過(guò)對電池組內所有電芯的開(kāi)路電壓、容量、充/放電曲線(xiàn)等信息查詢(xún)，準確挑出需要更換的“短板電芯”;驗證重新裝配后的電池組是否匹配良好。

檢測系統構成的便捷式設備主要由程控充電機、程控負載、無(wú)線(xiàn)采集系統、總控制器組成。電池組性能檢測設備原理如圖3所示。系統通過(guò)對電池組中BMS(電池管理系統)的通信獲得電芯信息。

以替換前后動(dòng)力電池組為例，電池組性能檢測系統開(kāi)啟，對電池組各單體電芯到達放電截止電壓點(diǎn)時(shí)(截止電壓2.8V)電壓、壓差(放電截止時(shí)單體電壓最高值和最低值差)、充/放電容量等信息進(jìn)行檢測。替換前電池組放電截止時(shí)所有單體電芯的電壓信息見(jiàn)表1。

檢測數據表明，第10節電芯的充電容量為51.54Ah，放電容量為52.34Ah，初始放電容量為60Ah，充/放電值均比整組低，放電時(shí)尤為明顯，放電值略低0.05V左右，說(shuō)明充電和放電容量都不足，此時(shí)整組電池容量為初始容量的87.23%，第10節單體放電時(shí)最先到達放電截止電壓，且壓差為0.344V，不符合壓差不超過(guò)0.22V的規定，故第10節電芯屬于短板電芯，此時(shí)的電池組需要維護。

將第10節電芯替換后，電池組放電截止時(shí)所有單體電芯的電壓信息見(jiàn)表2。替換后電池組容量57.58Ah，壓差0.213V?；谏鲜鲅芯刻岢鎏鎿Q指標，即電池容量下降為初始容量的90%~92%，壓差達到0.22V左右時(shí)，要對電池進(jìn)行維護，參考值以容量值為主、壓差值為輔。

4.電芯替換后循環(huán)壽命試驗驗

證重組匹配成功后，按照測試方案繼續進(jìn)行測試，結果如圖4所示。

在電芯替換前，針對某一電池組的循環(huán)測試過(guò)程中，因其容量衰減速率較快，在其循環(huán)到277次，容量降至52.34Ah(約為初始容量的87%)。對其采用電芯替換措施后，其放電容量立刻得到提升，當循環(huán)次數為1062次，放電容量為47.99Ah(約為初始容量的80%)，表明電池組循環(huán)壽命為1061次，說(shuō)明電芯替換方法能有效延長(cháng)電池組壽命。

5.結語(yǔ)

電芯替換技術(shù)可以提高電芯的一致性，保持電池組的可用容量和延長(cháng)循環(huán)使用壽命。尤其在部分電池組中存在“短板電芯”導致可用容量驟降及壽命縮短的情況下，維護效果更加顯著(zhù)。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的推廣，基于電芯替換的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組維護技術(shù)，具有良好的經(jīng)濟性和廣闊的應用前景。