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探究锂离子蓄电池均衡技术的评价方法

2020-06-02 243 上传者：管理员

摘要：以锂离子蓄电池均衡技术为研究对象，本文探究其对于锂电池的关键影响因素，然后以此作为初步评价点，通过测试试验的方式进行筛选，为后续评价标准确定打下基础，接着筛选出评价指标集并引入模糊综合评判法，建立锂离子蓄电池均衡技术评价模型，最终得到均衡技术评价方法，为均衡系统设计及实际使用中均衡系统的选取提供理论依据。

关键词：
均衡技术
模糊综合评判法
评价方法
锂离子蓄电池
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目前，新能源汽车已成为解决能源问题的重要发展方向，作为其动力源，动力电池技术发展无疑是重中之重，在众多动力电池中，锂离子蓄电池由于其能量密度高、循环寿命长等优势成为当前主流的动力电池应用[1,2]。电池均衡技术是锂电池关键技术之一。事实上，目前市场上的均衡系统种类繁杂，功能也各有千秋，并没有一个明确的评价体系来评判各个均衡系统的优劣。人们可以通过试验确定均衡系统有意义的评价点，从而制定一套针对锂电池均衡技术的评价方法。

1、评价点初步确定

要想初步确定均衡技术评价点，人们需要了解均衡系统会给锂离子电池系统带来影响的方面。基于均衡技术工作原理，可以从三个方面来分析影响：工作状态下的影响、静置状态下的影响以及对锂电池系统结构及成本的影响[3,4]。

锂电池系统在工作时主要有充电及放电两个状态，在充电及放电过程中，均衡技术对其最直接的影响就在于电池单体的电压，对其进行实时的均衡管理，通过不同的均衡策略减少电芯之间的压差。由于锂电池在放电末端的单体电压变化明显增大，导致单体之间的压差也会相应增大，因此统一选择充放电末端单体电压作为一个初步评价点。锂电池容量及能量测试以单体电压作为截至条件的判定依据，过大的压差会导致容量及能量的损失，故放电容量及能量也是评价依据之一。

除了这些在单个循环中可以体现出的明显评价依据外，电池系统的循环寿命也应是评价标准之一。电压的不一致性会导致部分电池单体的过充及过放，经过长时间的循环后，会加速电池寿命的衰减，并且随着累积时间的延长，这一点会体现得更加明显。

在静置状态下，均衡系统会也会如同工作状态下一样实时监控各单体电压状况，进行调节。例如，在将锂电池放电至截止电压后，此时的压差较大并且电压会有一定程度的回升，由于压差的存在，各单体回升程度各不相同，均衡系统此时监控到此压差后会开始进行电压调控，使得回弹结束后压差更小，为了评价时便于观察以及体现出差异性，将选取此过程进行评价。事实上，除此情况外，在整个静置过程中，均衡系统也会时刻处于监控状态。

2、试验测试筛选评价点

2.1 充电

选取锂离子动力蓄电池系统中的6节单体电池进行观察分析，分别在均衡及未均衡的状态下，使用1/3 C(80 A）对电池系统进行充电，由单体3.2 V充电至4.15 V，得到各节电压变化、充电末端压差、充电能量等数据，分析均衡系统对于充电时各项参数影响的显著性，为之后建立评价体系建立数据基础。

在均衡状态下，6节单体电池在充电末端电压极差为12 mV，方差为3.72，充电容量为231.73 Ah，充电能量为94.26 kW·h；而在未均衡状态下，单体电池充电末端极差为21 mV，电压方差达到7.04，充电容量为229.26 Ah，充电能量为93.15 kW·h。由此可见，均衡系统对于充电时单体电池的压差有显著影响，在充电过程中，它会不断平衡电池系统中各单体电池的电压，减小压差，在相同的单体电压截止条件下充入更多的电。从数据可以看出，同样是由单体3.2 V充电至4.15 V，充电容量多了2.47 Ah，充电能量多了1.11 kW·h。

2.2 放电

同样选取锂离子动力蓄电池系统中的6节单体电池，分别在均衡及未均衡的状态下，使用1/3 C(80 A）对电池系统进行放电，由单体4.15 V放电至2.8 V，得到各节电压变化、放电末端压差、放电能量等数据。在均衡状态下，6节单体电池在放电末端的电压极差为179 mV，方差为64.58，放电容量为230.28 Ah，放电能量为93.16 kW·h；而在未均衡状态下，单体电池放电末端极差为271 mV，电压方差达到92.87，放电容量为228.54 Ah，放电能量为92.35 kW·h。

由于放电末端单体电池压差会增大，并且所选的样品中有一节电池与其他电池压差特别大，因此在均衡状态下放电末端电压极差及方差就已经较大，而未均衡状态下的电压极差及方差则增大了更多，从放电结果对比来看，均衡系统对单体压差的影响更加显著。而均衡系统缩小压差所带来的结果同样是在相同的放电区间内增大了放电的容量及能量。

2.3 静置

同样选取锂离子动力蓄电池系统中的6节单体电池，分别在均衡及未均衡的状态下，在单体电压2.8 V的情况下开始静置10 min。观察各节电压变化、静置结束时单体电压等数据，由于放电至2.8 V这个较低的电压后开始静置，因此在静置时，无论是均衡状态还是非均衡状态，电压均会有回弹的现象。但是，相比之下，均衡状态下的各个单体电压是逐渐趋于平衡的，在第十分钟时，方差由最初的64.09缩减至13.27，而未均衡状态下各个单体电压在试验结束时的压差相较之下大了不少。

2.4 温升

选取锂离子动力蓄电池系统中的6节单体电池，分别在均衡及未均衡的状态下使用1/3 C(80 A）对电池系统进行放电，由单体4.15 V放电至2.8 V，监控这6节单体电池的温度变化。均衡系统开启与否，对整体温度影响较小，影响范围在0.5～1.0℃。虽然温升程度不高，但是均衡系统仍然会影响电池系统的温度，需要作为评价指标之一。

3、均衡技术评价方法建立

3.1 模糊综合评判法

在评价均衡技术时，影响参数数量多，分散面广，无法使用一个因素来表达整体的评价结果，而且某些因素为抽象概念而无法量化。基于这种不确定的模糊性，选择模糊综合评判法作为均衡技术的评价方法，具体评价步骤如下。

3.1.1 建立指标集

若最终选取m个指标参与评价，则可以将所有选取指标构建成一个指标集，即F={F1,F2,…,Fm}。

3.1.2 建立评定集

评定集代表最终评判的若干等级分类，例如，A={A1,A2,…,Ak}表示有k项评定等级。如果评定等级有好、较好、一般、较差、差5个等级，则k=5。将5个等级进行百分数化处理，好对应为100，较好对应为75，一般对应为50，较差对应为25，差对应为0。

3.1.3 建立权重集

根据均衡技术评价点对锂电池系统的重要性及影响程度，构建权重系数。因数集的权重分配向量为W={W1,W2,…,Wn}。

3.1.4 建立模糊矩阵

由于影响因素很多，单因素评价只能反映部分效果，无法代表整体，因此建立了评价矩阵。若有F个评定指标，指标集为F，评定集为A，则评价矩阵R=(rij)m×n，此时（F,A,R）构成评价空间。若有11个评价指标，则此时m=11。

3.2 评价标准的确定

目前指标集已确定，最终筛选出的评价点有充电时压差、容量及能量的比较值，放电时压差、容量及能量的比较值，放电后静置时压差的比较值，温升的比较值，锂电池循环寿命的比较值，结构复杂性以及成本，共11各评价点，此处比较值都指开启均衡系统及未开启均衡系统测试后结果的差值。根据测试结果和数据收集，首先确定这些评价点的评价标准范围：充放电时的压差比较值范围设定为0～100 mV；容量的比较值范围设定为0～5 Ah；能量的比较值范围设定为0～5 kW·h；放电后静置时压差的比较值设定为0～100 mV；

温升的比较值设定为0～5℃；锂电池循环寿命的比较值设定为满容量的0%～10%；结构复杂性分成五个档次，即简单、较简单、一般、较复杂及复杂，例如，仅使用电阻及简单控制电路进行放电的被动均衡系统结构为简单，而使用变压器方案的主动均衡系统为复杂。价格浮动范围较大，设定为100～5 000元。除了结构复杂性之外，其余所有数值皆可做百分数化处理，结构复杂性分成五个档次后，数值大都可以实现线性对应。

3.3 评价点权重的确定

根据重要程度，对全部11个评价点进行分层，工作中的锂离子电性能及安全性能应是最重要的因素，因此将充放电时压差比较值、充放电时容量的比较值、充放电时能量的比较值及锂电池循环寿命、静置时压差的比较值及温升的比较值作为最重要的因素，给予最高权重。其次是结构复杂性及成本。

3.4 评价结果及应用实例

建立模糊矩阵，并通过评价标准及评价权重计算得到最终评价结果。应用上述评价方法进行实例分析，假设已知各评价点参数，如表1所示。计算可得：90×0.1+70×0.1+62×0.1+92×0.1+71×0.05+56×0.1+70×0.1+80×0.1+50×0.1+50×0.05=63.05。

综合运用以上评价方法，得出假设的均衡系统评价值为63.05，评价等级为一般，这样即可以用具体的数值来表达一个模糊的评价概念。

表1 各评价点参数

4、结论

笔者通过研究初步确定均衡技术的评价点，并通过测试试验的方式进行筛选，为后续评价标准确定打下基础，之后引入模糊综合评判法，建立了均衡技术的评价模型并佐以实例展示了该模型的应用。事实上，均衡技术目前仍在不断发展之中，日后必然会出现性能更优秀、结构更优化的均衡系统，因此该评价模型也需要跟随目前技术的发展不断更新，才能保持自身的时效性和有效性。

参考文献：

[1]杨勇,张菁,钱潇潇.动力电池均衡控制系统设计[J].智能计算机与应用,2019,9(3):216-222.

[2]韩庆康,李军.锂电池均衡管理控制策略研究[J].装备机械,2019,(3):9-11.

[3]华旸,周思达,何瑢,等.车用锂离子动力电池组均衡管理系统研究进展[J].机械工程学报,2019,55(20):73-84.

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