航空用動(dòng)力鋰電池組工作特性分析

胡曉敏，王順利，尚麗平，李占鋒，劉力舟

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

航空用動(dòng)力鋰電池組工作特性分析

胡曉敏，王順利，尚麗平，李占鋒，劉力舟

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

針對(duì)鋰電池成組后使用壽命縮短、安全性能降低等問題，對(duì)成組后的鋰電池的工作特性做出研究分析。對(duì)航空用鋰電池進(jìn)行建模并基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估計(jì)其剩余電量。通過對(duì)電池成組前后進(jìn)行常溫下9 A充電、45 A放電以及循環(huán)充放電等實(shí)驗(yàn)測(cè)試，繪制出鋰電池組及單體的性能曲線圖，分析鋰電池組的工作特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：成組后鋰電池的工作特性不同于單體的特性。該研究能更好地推進(jìn)鋰電池的成組應(yīng)用，同時(shí)為航空用動(dòng)力鋰電池組的檢測(cè)維護(hù)和健康管理提供很好的研究基礎(chǔ)和依據(jù)。

航空；擴(kuò)展卡爾曼濾波；剩余電量；鋰電池組；工作特性；充放電

隨著電動(dòng)汽車、航空、通信等領(lǐng)域的發(fā)展需求，可重復(fù)充電的鋰電池憑借其比能量高、質(zhì)量輕、體積小、成熟度和成本優(yōu)勢(shì)得到廣泛應(yīng)用。操作系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，使得鋰電池從單體到成組的技術(shù)也隨之發(fā)展。單個(gè)電池是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)供能需求的，因此需要將電池串、并聯(lián)組合使用。鋰電池的性能，通常是指單體鋰電池的性能[1]。鋰電池成組后不同于單體，其性能大打折扣。出現(xiàn)組內(nèi)不均衡、散熱性不好、安全性降低、壽命縮短[2]等問題。所以，鋰電池成組應(yīng)用制約著電動(dòng)汽車、航空航天等新能源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展。準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)鋰電池，尤其是鋰電池組的性能和壽命仍是一個(gè)難點(diǎn)[3]。從20世紀(jì)90年代開始，隨著計(jì)算能力和軟件技術(shù)的提高，那時(shí)的預(yù)測(cè)能力還不是很成熟，但很多的研究學(xué)者進(jìn)行了一些先進(jìn)研究實(shí)驗(yàn)為后面的研究奠定了基礎(chǔ)。張華輝，齊鉑金等對(duì)鋰電池組合前后的特性做了研究，考慮到成組前后電池的容量、SOC等的變化[1]；韓智強(qiáng)，姜久春等對(duì)鋰離子動(dòng)力電池電路模型的頻率特性進(jìn)行了仿真分析，為鐵路客車電池的建模提供依據(jù)[4]；P.Hong-Sun,K.Chong-Eun等對(duì)混合動(dòng)力車鋰電池組的充電均衡模塊進(jìn)行了研究[5]；Xiaosong Hu,Shengbo Li等人對(duì)鋰電池不同的等效電路模型做了研究分析，為鋰電池的后續(xù)研究提供了研究依據(jù)[6]，等等。此外，國內(nèi)外很多企業(yè)和高校及研究所都對(duì)鋰電池組的管理和維護(hù)做了相關(guān)的研究。例如，曼徹斯特大學(xué)、美國通用汽車公司、日本豐田汽車和松下電器公司、韓國LG化學(xué)公司、中國比亞迪有限公司、清華大學(xué)、大連化物所等。

文中首先對(duì)鋰電池進(jìn)行建模并基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法估計(jì)其剩余電量，接著針對(duì)航空用7ICP系列的鋰電池組，基于鋰電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)對(duì)鋰電池成組前后進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，研究分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出鋰電池組的工作特性。

1 鋰電池化學(xué)特性

鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子。實(shí)驗(yàn)選用的7ICP系列鋰電池組由鋰離子蓄電池單體組成的。其正極材料為L(zhǎng)iCoO2，負(fù)極材料為C[7]。

正極系統(tǒng)的放電、充電反應(yīng)：

負(fù)極系統(tǒng)的放電、充電反應(yīng)：

整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)方程：

實(shí)驗(yàn)選用的7ICP系列電池組額定容量為45 Ah，單體電壓為4.2 V，工作范圍為3.0～4.2 V。在BMTS鋰電池狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)鋰電池成組前后進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)。

2 剩余電量估算

卡爾曼濾波適用于狀態(tài)向量、系統(tǒng)輸入與觀測(cè)向量之間是線性關(guān)系的系統(tǒng)。而擴(kuò)展卡爾曼濾波法則將系統(tǒng)的非線性系統(tǒng)函數(shù)線性化，進(jìn)而結(jié)合卡爾曼濾波基本算法進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，因此擴(kuò)展卡爾曼濾波適用于非線性系統(tǒng)[8]。

以電池剩余電量為狀態(tài)參數(shù)xk，電流ik為控制量建立狀態(tài)方程，以電池電壓yk為觀測(cè)量建立觀測(cè)方程?；诳柭鼮V波算法的擴(kuò)展卡爾曼濾波算法流程如下所示：

此計(jì)算流程通過Matlab軟件仿真可得到電池剩余電量的估算結(jié)果，結(jié)合常溫下電池放電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該估計(jì)算法的可行性和精確性。

圖1 SOC對(duì)比分析圖

3 鋰電池組充放電實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 充電實(shí)驗(yàn)

充電采用先恒流充電后恒壓充電。恒流充電電流為9.0 A，當(dāng)串聯(lián)電池組中單體電壓的最高端電壓為4.15 V(恒壓點(diǎn))時(shí)，轉(zhuǎn)為恒壓充電。當(dāng)充電電流小于0.4 A時(shí)停止充電。充電電壓曲線如圖2所示。

圖2 充電電壓曲線

采用相同的充電控制策略，對(duì)比兩條曲線可以看出，單體電池的電壓和電池組電壓的變化趨勢(shì)整體上是一致的，但電池組電壓的上升要緩慢得多。先恒壓充電，充電初期電池組和單體的電壓均迅速上升，但電池組電壓的曲線斜率小，電壓上升緩慢，到達(dá)轉(zhuǎn)折點(diǎn)的時(shí)間滯后于單體電池；充電中期，電池組和單體電壓均趨于平緩，但電池組電壓的曲線波動(dòng)相對(duì)大；充電后期，單體電池的電壓逐漸趨于穩(wěn)定，而電池組的電壓還在繼續(xù)上升即趨于穩(wěn)定需要更長(zhǎng)的時(shí)間。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以明顯得知，鋰電池成組后其充電工作特性不同于單體，充電特性有所下降。

3.2 放電實(shí)驗(yàn)

放電采用45 A大電流恒流串聯(lián)放電。當(dāng)檢測(cè)到電池組總電壓降至21 V或至少有一只單體電壓降至3.0 V時(shí)，停止放電。放電電壓曲線如圖3所示。

圖3 放電電壓曲線

對(duì)比兩條曲線可以看出，兩者的變化走向基本上是一致的，放電初期和末期電池組和單體的放電速率均較大，中期比較平緩。放電初期，電池組的波動(dòng)相對(duì)單體較大；放電中期，電池組與單體的放電速率不一致，電池組的曲線變換相對(duì)緩慢；放電后期，電池組的曲線轉(zhuǎn)折點(diǎn)相對(duì)滯后，單體的曲線變化相對(duì)陡峭，放電速率快。結(jié)果表明，鋰電池在成組以后，其放電特性不同于單體的特性，特別是在放電初期和末期。

3.3 循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)

循環(huán)充放電實(shí)驗(yàn)中充電-擱置-放電為一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期。實(shí)驗(yàn)前先對(duì)電池組進(jìn)行放電處理，擱置一段時(shí)間使其溫度、活性恢復(fù)正常后再進(jìn)行循環(huán)充電實(shí)驗(yàn)。充電過程的控制同第一節(jié)充電實(shí)驗(yàn)；充電完成后再進(jìn)行擱置處理；之后進(jìn)行放電實(shí)驗(yàn)，放電過程的控制同第二節(jié)放電實(shí)驗(yàn)，以此為周期反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。充放電電壓曲線如圖4所示。

圖4 充放電電壓曲線

本文選取其中一個(gè)周期來加以分析。由圖可以看出，電池組與單體的曲線走勢(shì)基本上是一致的。從充電的三個(gè)階段來看，電池成組后較單體電池來說充電速率慢、時(shí)間長(zhǎng)；擱置狀態(tài)下，單體電池的電壓基本上保持不變，而電池組的電壓還有上下的浮動(dòng)，應(yīng)該擱置更長(zhǎng)的時(shí)間；放電過程中，放電初期的一小段時(shí)間內(nèi)電池組的變化相對(duì)較快、波動(dòng)較大，隨后趨于緩慢，以致在放電中期時(shí)其放電速率相對(duì)單體電池慢，放電時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)入放電末期的時(shí)間滯后于單體電池。結(jié)果表明，鋰電池成組后對(duì)電池的充電、擱置、放電特性產(chǎn)生影響，使其工作特性不同于單體。

4 結(jié)論

鋰電池的性能一般是指單體電池的特性。當(dāng)且僅當(dāng)電池組內(nèi)的各單體電池完全一致時(shí)，電池組才表現(xiàn)出單體電池的特性。基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法實(shí)現(xiàn)對(duì)電池剩余電量的估算，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其可行性和精確性。通過對(duì)鋰電池單體及電池組的充放電實(shí)驗(yàn)的研究，得出鋰電池成組后表現(xiàn)出與單體不同的充放電特性，表現(xiàn)在充放電速率變慢、時(shí)間變長(zhǎng)等。鋰電池一般是成組使用來提供動(dòng)力源，因此鋰電池的成組技術(shù)關(guān)乎到消費(fèi)類電子、通信、空間、混合動(dòng)力源和軍事應(yīng)用等行業(yè)的發(fā)展。該研究很好地促進(jìn)了鋰電池成組特性研究的發(fā)展，為航空用動(dòng)力鋰電池組的檢測(cè)維護(hù)和健康管理提供了研究依據(jù)。

[1]張華輝，齊鉑金，袁學(xué)慶，等.鋰離子電池組合前后的特性研究[J].電池，2007，37(4)：294-296.

[2]王震坡，孫逢春，張承寧.電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池組不一致性統(tǒng)計(jì)分析[J].電源技術(shù)，2003，27(5)：438-441.

[3]MATTHIEU D,NICOLAS V,YANN B.From single cell model to batter y pack simulation for Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2009,186:500-507.

[4]韓智強(qiáng)，姜久春，孫丙香，等.鋰離子動(dòng)力電池電路模型的頻率特性分析[J].電源技術(shù)，2015，39(2)：268-273.

[5]HONG-SUN P,CHONG-EUN K,CHOL-HO K.A modularized charge equalizer for an HEV lithium-ion battery string[J].IEEE,2009,5(56):1464-1477.

[6]HU X S,LI S B,PENG H.A comparative study of equivalent circuit models for Li-ion batteries[J].Journal of Power Sources,2012,198:359-367.

[7]王志福，彭連云，孫逢春.電動(dòng)車用鋰離子動(dòng)力電池充放電特性[J].電池，2003，33(3)：167-168.

[8]夏超英，張術(shù)，孫宏濤.基于推廣卡爾曼濾波算法的SOC估算策略[J].電源技術(shù)，2007，31(5)：414-417.

Work characteristics analysis of aeronautical power lithium battery pack

HU Xiao-min,WANG Shun-li,SHANG Li-ping,LI Zhan-feng,LIU Li-zhou
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

For the problems of the shorten service life and the reduced security,the work characteristics of the lithium batteries after grouped was studied.The aeronautical lithium battery was modeled and the remaining capacity was estimated based on the extended Kalman filter.Charge-discharge experiments at normal temperature were done,including 9.0 A charge,45 A discharge and cycle test.The performance curve graphs of lithium battery pack and cell were drawn,and the working characteristics of the lithium battery pack were analyzed.The experiment results show that there are difference between the lithium batteries after grouped and cell.The research can better promote the group application for lithium batteries and provide research foundation and basis for the health management and maintenance of aeronautical lithium power battery pack.

aeronautical;extended Kalman filter;remaining capacity;lithium battery pack;work characteristics;charge-discharge

TM 912

A

1002-087 X(2016)08-1554-02

2016-01-18

四川省創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目(201410619004)；四川省科技支撐計(jì)劃(2014GZ0078)；光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用項(xiàng)目(12zd1105)

胡曉敏(1989—)，女，河北省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾铍姵貭顟B(tài)檢測(cè)與控制方向。