关键词：
三元锂电池
磷酸铁锂电池
混合电池组
故障诊断
荷电状态估计
摘要：
面对日趋严重的能源与环境问题,可进行梯次利用、可持续性更高且制造碳排放量更低的磷酸铁锂电池（Li Fe PO,LFP）受到了愈发广泛的重视。然而,磷酸铁锂电池在能量密度与低温性能等方面仍存在不可忽视的缺陷。通过将三元锂电池(Li CoNiMnO,NCM)与磷酸铁锂电池按照合理的构型进行匹配,能够综合发挥出两种电芯的优势,实现有效降低热蔓延风险、调和成本和能量密度等功能,有望替代两种单一型电池组。
由于混合电池组具有构型多样性、电芯差异性等特有的复杂性,所以导致其目前仍处于初步应用和探索阶段。因此,如何实现混合电池组的构型匹配、故障诊断以及状态估计,对确保混合电池组高效安全地运行具有重要意义,同时有利于推进混合电池组的应用与普及。
本文以“三元锂-磷酸铁锂”混合电池组为研究对象,建立了混合电池组仿真系统,研究其电性能演变并为构型匹配与均衡控制提供数据分析参考。除此之外,探索两类电芯的偏离机制,形成了混合电池组的故障诊断与状态估计方法,最终完成对混合电池组构型优势的充分利用。
首先,为了给仿真系统的搭建等研究提供数据支持,针对两种锂离子电池单体与混合电池组分别设计了一系列基本性能实验。在四个不同环境温度下,对两类单体电池分别进行了容量、混合功率脉冲特性测试以及低倍率恒流充放电等实验,以便于搭建覆盖高低温环境的仿真系统。另一方面,还在常温下对两类单体电池设计了动态开路电压（Open Circuit Voltage,OCV）以及动态工况实验,用于支持混合电池组的状态估计研究。此外,为了验证仿真系统的精度,对混合电池组的成组实验方法也进行了介绍,并补充了不同温度下混合电池组的容量实验。
其次,搭建了一种混合电池组的仿真系统,并为构型匹配与均衡控制提供了数据分析参考。混合电池组中两类电芯在不同温度下的性能演变会直接体现在混合电池组的实际可用容量上,为了让电池组充分发挥构型优势,即保持可用容量几乎不变,需要通过仿真系统替代实验试错的方法以预测其输出特性。由于模型需要覆盖宽温度的运用场景,基于电池机理的分析,在传统等效电路模型的基础上增加了一个固相扩散模块。此外,针对传统分区间辨识参数的复杂方法,提出了一种基于内阻基准值的离线辨识优化算法。实验验证表明,考虑了固相扩散模块的模型以及新的参数辨识方法能够在较小计算量的前提下有效提高不同温度下的电压仿真精度,并且通过仿真系统对容量实验的仿真结果表明其容量误差在3%以内,能够对不同温度下容量演变情况进行预测。
然后,基于对磷酸铁锂电池电压曲线特性的分析,提出了一种能够应用于缺乏满充工况场景下的内短路（Internal Short Circuit,ISC）定量诊断方法。串联电池组中各单体同时间内充入或放出的电量相同,通过所有单体到达同一电压基准线的时间差可计算出它们的电量差异,但是此电量差异（Electric Quantity Difference,EQD）可能是由于初始荷电状态（State of Charge,SOC）以及容量等的不一致性导致,故结合两组充电数据即可计算出电量差异的增加量,此电量差异的增加量就是由内短路导致。因此,在分析了磷酸铁锂电池电压曲线特征之后,为了避免其宽平台期的特性,选用阶跃段的中值电压作为电压基准线。通过外接等效电阻的方式替代内短路实验,验证表明该算法不仅能诊断出内短路单体,还能进行精确的故障程度诊断。
最后,针对混合电池组中状态估计难度较高的磷酸铁锂电池提出了一种以三元锂电池为“标尺”的荷电状态方法。考虑到两种电芯的电化学特性差异较大,结合混合电池组构型的特殊性,增加了满充自校正以及带模糊逻辑的差异状态观测器校正方法。在面向存在传感器误差的场景时,该方法的精度依然较高,成功克服了两种体系电池因自放电特性差异造成的误差。此外,考虑到电池单体的不一致性或者内短路故障的影响,在包含多磷酸铁锂电池的混合电池组中,仅有一个磷酸铁锂电池单体能达到满充状态,其它单体无法再使用上述方法进行状态校正。因此,联合上文研究的同型电芯间的内短路定量诊断算法,对其它单体进行反馈修正,不仅再次证实了内短路诊断算法的精度和适用性,还提供了混合电池组内所有单体的状态估计方法。基于此,结合容量电量散点图法还可得到混合电池组的容量与SOC估计值。
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