鐘國彬，周方方,，蘇 偉，魏增福，劉學(xué)武

（1 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州510080；2 大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧 大連116024）

當(dāng)前，全球經(jīng)濟(jì)競爭格局正在發(fā)生深刻變革，科技發(fā)展正孕育著新的革命性突破，發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)成為世界主流國家搶占新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的重大戰(zhàn)略選擇，尤其是面對當(dāng)前日益突出的燃油供求矛盾和汽車尾氣排放污染問題，世界各國，特別是以美國、日本、歐盟為代表的國家和地區(qū)，紛紛把發(fā)展新能源汽車作為搶占新一輪經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇，新能源汽車成為未來汽車產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向。我國也將新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為國家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，中央和地方政府紛紛出臺一系列的政策支持電動汽車的推廣。2012年底專門出臺的《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》，明確了我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)和重點(diǎn)任務(wù)：到2015年，純電動汽車和插電式混合動力汽車?yán)塾?jì)產(chǎn)銷量力爭達(dá)到50 萬輛；到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200 萬輛、累計(jì)產(chǎn)銷量超過500 萬輛。

電動汽車電池容量下降到額定容量的80%后就不宜繼續(xù)使用，如果直接將電池淘汰，將造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。由于儲能應(yīng)用環(huán)境對于比能量要求不高、使用環(huán)境可控，退出使用的車載動力電池可通過儲能應(yīng)用來繼續(xù)發(fā)揮其剩余使用價(jià)值。通過這種動力電池的梯次利用技術(shù)[1]，可以有效地延長動力電池使用壽命，降低動力電池的全壽命周期使用成本，對于推動電動汽車行業(yè)的健康發(fā)展具有重要意義。

為了提高安全性和輸出性能，淘汰動力電池需要在嚴(yán)格篩選之后重新串、并聯(lián)成組使用。目前，雖然國內(nèi)外已有不少研究者對鋰離子電池儲能系統(tǒng)有所研究，如Divya 等[2]分析了電池儲能對電能質(zhì)量調(diào)節(jié)的經(jīng)濟(jì)可行性，張步涵等[3]對電池儲能在改善并網(wǎng)風(fēng)電場質(zhì)量和穩(wěn)定性的應(yīng)用進(jìn)行了研究，何洪文等[4]研究了鋰離子動力電池充放電特性，馬澤宇等[5]的研究指出了二次利用的鋰電池組用于儲能系統(tǒng)的均衡策略，李香龍等[6]分析了梯次利用鋰離子動力電池的容量內(nèi)阻特性、開路電壓特性和倍率特性；但是對淘汰磷酸鐵鋰動力電池串、并聯(lián)之后的性能還未有深入的研究。磷酸鐵鋰（LiFePO4）電池因具有能量密度較高、使用壽命長等[7]優(yōu)點(diǎn)，是我國動力電池領(lǐng)域的主流選擇。本文以淘汰磷酸鐵鋰動力電池為研究對象，研究在單體電池內(nèi)阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC不一致等情形下，電池組的并聯(lián)特性，即并聯(lián)電池組中各電池直流阻抗、電流不平衡度的變化情況。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)對象是從某電動汽車淘汰下來的磷酸鐵鋰動力電池，原標(biāo)稱電壓為3.2 V，標(biāo)稱容量為66 A·h。經(jīng)過單體電池容量、內(nèi)阻測試后，從106只單體電池中挑選了3 組電池（每組3 只）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)：A 組電池主要考察電池內(nèi)阻不一致的影響，所選電池剩余容量基本一致，電池最小內(nèi)阻為0.631 mΩ，最大內(nèi)阻為0.687 mΩ，偏差8.87%（表1）；B 組電池主要考察電池剩余容量不一致的影響，電池內(nèi)阻基本一致，剩余容量分別為60.1 A·h、58.2 A·h 和56.2 A·h，容量最大偏差6.43%（表2）；C 組電池主要考察電池初始SOC 不一致的影響，電池剩余容量、內(nèi)阻均基本一致。

表1 A 組電池參數(shù)Table 1 Parameters of the batteries in group A

表2 B 組電池參數(shù)Table 2 Parameters of the batteries in group B

表3 C 組電池參數(shù)Table 3 Parameters of the batteries in group C

圖1 實(shí)驗(yàn)電路示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental circuit

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖1為并聯(lián)電池組測試實(shí)驗(yàn)電路示意圖。充放電測試設(shè)備采用的是BTS5300C4N 電池測試系統(tǒng)（寧波拜特測控技術(shù)有限公司），充、放電電壓窗口為2.5～3.65 V；支路電阻采用型號為200 A/75 mV的分流器；電壓表是HIOKI BT3563 電池內(nèi)阻測試儀。三組實(shí)驗(yàn)具體測試步驟如下。

A 組：①電池A1、A2、A3以0.5 C 完全充電；②如圖1所示將電池A1、A2、A3并聯(lián)，電池組以0.2 C、0.5 C、1 C 分別放電，以0.5 C 完全充電，各放電倍率分別循環(huán)3 次；③在放電過程中測記各分流器電流，測各單體電池直流阻抗。

B 組：①電池B1、B2、B3以0.5 C 完全充電；②如圖1所示將電池B1、B2、B3并聯(lián)，電池組以1 C 放電至電壓為2.5 V，以1 C 充電，循環(huán)3 次；③測記充、放電過程各分流器電流。

C 組：①電池C1、C2、C3以0.5 C 充電至SOC為80%、50%、10%；②如圖1所示將電池C1、C2、C3并聯(lián)，充電至3.65 V，然后以3.65 V 恒壓繼續(xù)充電1 h，電池組以1 C 放電至電壓為2.5 V，循環(huán)3 次；③測記充、放電過程各分流器電流。

2 結(jié)果與討論

2.1 內(nèi)阻不一致實(shí)驗(yàn)

圖2為并聯(lián)電池組A 在0.2 C 放電過程中，電池組和各單體電池的電壓變化曲線?？梢钥吹絾误w電池之間的電壓曲線基本重合，這是由于在小電流下，由內(nèi)阻差別引起的電壓差很小。同時(shí)也可以看到電池組電壓比單體電壓約低30 mV，這是由于分流器的內(nèi)阻和電路接觸電阻造成的壓降。這從一個(gè)側(cè)面說明了電池成組工藝的重要性，由于大容量鋰電池的內(nèi)阻很小，電池組中的電路接觸電阻會對電池組性能造成一定的影響。此外，電池組A 在0.2 C倍率下放電容量為181.863 A·h，這與電池A1、A2、A3的容量總和（181.919 A·h）基本相等?？梢娫陔姵貎?nèi)阻相差不超過9%的條件下，電池并聯(lián)成組之后，總?cè)萘坎]有明顯的損失。

圖2 A 組0.2 C 放電過程電壓變化曲線Fig.2 The discharge voltage curves of group A at 0.2 C rate

圖3為并聯(lián)電池組A 在0.2 C 放電過程中，總電流和各支路電流的變化曲線。在電池測試系統(tǒng)的控制下，總電流在整個(gè)放電過程都保持在36 A，各支路電流在0～4.5 h 之間相對平穩(wěn)，而在之后（SOC約10%）支路電流出現(xiàn)了明顯的變化，支路2 的電流明顯上升，最高時(shí)達(dá)到15.840 A，與預(yù)計(jì)的12 A電流相比偏離了32.0%；而支路1 和支路3 的電流則急劇下降，最小電流僅有9.547 A，與平均電流12 A 相比偏離了20.4%，支路間最大電流比最小電流高出了65.9%，表現(xiàn)出顯著的偏差。圖4 是1C放電倍率下，電池組A 中各支路電流的變化曲線?？梢钥闯?，在前50 min 中各支路電流相對平穩(wěn)，但絕對電流差別比0.2C 放電時(shí)更大；在50 min 之后（SOC 約17%），各支路電流出現(xiàn)了急劇變化，其中A2電池電流急劇上升，A1電池電流急劇下降，而A3電池電流則是先緩慢上升再下降，在放電接近結(jié)束時(shí)，A1電流高達(dá)86.773 A，而A2電流只有38.533 A，相差125.2%。支路電流之間巨大的電流差距，很可能會導(dǎo)致部分支路出現(xiàn)過流、過熱，從而加速電池的衰退或引起安全事故。

并聯(lián)電路各支路兩端電壓相等，因此支路電流的變化來自于電池內(nèi)阻的變化，由圖3 和圖4 可知：①電池內(nèi)阻并不是一個(gè)靜態(tài)的參數(shù)，而是會隨著電池SOC 的變化而變化，在SOC 較低時(shí)，電池的內(nèi)阻會出現(xiàn)顯著變化；②由于放電末期電池內(nèi)阻的顯著變化，會將電池之間的內(nèi)阻不一致性放大，從而造成并聯(lián)電路中支路電流之間不可忽視的偏差；③電池內(nèi)阻出現(xiàn)顯著變化的SOC 拐點(diǎn)與電流大小有關(guān)，大電流放電比小電流放電情況下，更快到達(dá)這個(gè)拐點(diǎn)。因此，在使用梯次利用的磷酸鐵鋰動力電池時(shí)，應(yīng)避免深度放電，最大放電深度應(yīng)根據(jù)不同的輸出電流來設(shè)置。

圖3 A 組0.2C 放電過程電流變化曲線Fig.3 The discharge current curves of group A at 0.2C rate

圖4 A 組1C 放電過程支路電流變化曲線Fig.4 The discharge current curves of group A at 1C rate

為了考察電池內(nèi)阻隨SOC 的變化情況，在電池組A 進(jìn)行1 C 放電的過程中，每放電5 min，靜置2 h，然后根據(jù)靜置前后的電壓差來計(jì)算各個(gè)點(diǎn)的電池直流阻抗[8]。圖5 展示了電池組A 中各支路電池的直流阻抗隨放電時(shí)間的變化趨勢，在放電初期和放電末期，電池直流阻抗變化極大，尤其是在末期，所測直流阻抗成倍增加，且電池之間的不一致性被放大；而在放電中段，電池直流阻抗變化很小，且三只電池之間的差別不大，基本重合。圖5的結(jié)論與之前的推論基本符合，在放電后期，由于各支路電池內(nèi)阻的急劇變化，導(dǎo)致分配到各支路的電流也出現(xiàn)了相應(yīng)的變化。因此，為了減緩磷酸鐵鋰電池組內(nèi)阻在SOC 高、低兩側(cè)的突變對電池不一致性的放大作用，應(yīng)盡量避免電池組過度放電，可以選擇在電池組SOC 中段，如SOC 在20%～80%之間，進(jìn)行充、放電循環(huán)使用。同時(shí)，梯次利用的電池一致性不如新電池，更適合使用在不需要大電流充放電的場合。

圖5 A 組單體電池直流阻抗圖Fig.5 The DC impedance curves of the batteries in group A

2.2 容量不一致實(shí)驗(yàn)

容量不一致實(shí)驗(yàn)充、放電過程中各支路電流變化如圖6 和圖7所示，電池組B 在充電和放電過程中，各支路電流的變化趨勢有所不同。共同點(diǎn)是在充、放電前期，各支路電流都比較平穩(wěn)，而在后期則出現(xiàn)了比較明顯的變化。在整個(gè)充電過程中，如圖6所示，電池組恒流充電過程，支路電流保持各自初始電流值，不隨充電時(shí)間的變化而變化，電流差始終保持在6 A 左右，并且各支路電流相對大小與各支路電池容量相對大小保持一致，說明容量不一致的電池并聯(lián)使用時(shí)，支路電流大小與支路電池本身的充、放電能力有關(guān)。在充電53 min 之后，3個(gè)支路電流同時(shí)減小，這是由于電池組電壓達(dá)到3.65 V，轉(zhuǎn)為恒壓充電模式的結(jié)果。

圖6 B 組充電過程各支路電流的變化曲線Fig.6 The charge current curves of group B at 1 C rate

張維戈等[9]通過建立計(jì)算機(jī)仿真模型，研究了單體電池參數(shù)不一致程度和串并聯(lián)連接方式對電流不平衡度的影響，發(fā)現(xiàn)容量存在較大差異的兩只電池并聯(lián)之后，充電過程形成了相互平衡的自均流現(xiàn)象，指出通過運(yùn)用合理的篩選成組方法，可以有效提高梯次利用電池的容量利用。這與本文圖6 中觀察到的自均流現(xiàn)象是一致的，當(dāng)然由于文獻(xiàn)[9]實(shí)驗(yàn)中選取的電池容易差異更大，自均流現(xiàn)象也更明顯，但是他們僅研究了容量不一致對充電過程的影響，而沒分析對放電過程的影響。

圖7 B 組1 C 放電過程各支路電流的變化曲線Fig.7 The discharge current curves of group B at 1 C rate

如圖7所示，在放電過程中，前50 min 內(nèi)，各支路間電流差保持在5.5 A 左右，自均流現(xiàn)象與充電過程相類似。但是在50 min 之后，在放電末期出現(xiàn)了與充電過程不同的現(xiàn)象，支路電流出現(xiàn)了急劇變化，支路電流相對大小反轉(zhuǎn)。原來電流最大的B1電池，其所在支路電流迅速減小，在第55 min時(shí)達(dá)到39.400 A；而原來電流最小的B3電池，其所在支路電流迅速增大，在第55 min 時(shí)達(dá)到74.545 A，最大值和最小值相差35.145 A。原因可能是由于B1電池放電電流較大，所以在到達(dá)拐點(diǎn)時(shí)，其SOC 相比另外兩只電池較低，由圖5 可知，在放電末期，越低的SOC 下，電池阻抗卻越大。因此，在放電第50 min 之后，雖然3 只電池的阻抗同時(shí)變大，但B1電池的阻抗變化較大，B1電池也從3 只電池中阻抗最小的一只變成了阻抗最大的一只，支路之間的電流相對大小出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，B1所在支路電流從最大變成了最小，B2和B3所在支路電流則出現(xiàn)了增大的趨勢，以保證總電流不變。

2.3 SOC 不一致實(shí)驗(yàn)

C 組磷酸鐵鋰電池中，3 只電池的初始SOC 是不一樣的，依次為80%、50%和10%，從圖8可見，電池組電壓很快到達(dá)3.65 V，之后進(jìn)入恒壓充電模式。整個(gè)充電過程C3電流最大，C1電流最小，這是由于初始SOC 不同則單體電池電壓差別較大，為了保證電壓一致，初始SOC 為10%的電池電流瞬間增大；C1電池率先充滿電，在恒壓模式下，其支路電流在第10 min 之后出現(xiàn)快速下降，C2電池電流則在第40 min 之后才出現(xiàn)快速下降現(xiàn)象。說明由于電池初始SOC 的差異，電池充滿電的時(shí)間有先后。由于后期是恒壓充電模式，因此總電流在下降，并未觀察到非常大的支路過流現(xiàn)象，也未觀察到先充滿電池對后充滿電池進(jìn)行充電的現(xiàn)象。

經(jīng)過上述模式的充電以后，電池組C 放電過程中各支路電流的變化曲線如圖9所示，在放電前50 min 內(nèi)，各支路電流比較平穩(wěn)，支路電流間最大偏差不超過4 A；在50 min 后，則出現(xiàn)了兩極分化，C3、C1電池電流分別往高低方向急劇變化，C3的電流迅速增大至最大值74.002 A，最大值和最小值相差25.691 A。這種情形與圖7 基本相同，在放電末期會有比較大的差異，說明在并聯(lián)模式下，只要充電模式設(shè)置合理，單體電池初始SOC 不一致的情況可以逐漸得到緩解甚至消除。

圖8 C 組充電過程中各支路電流的變化曲線Fig.8 The charge current curves of group C at 1 C rate

圖9 C 組放電過程中各支路電流的變化曲線Fig.9 The discharge current curves of group C at 1 C rate

3 結(jié) 論

為了實(shí)現(xiàn)動力電池的梯次利用，本文以淘汰磷酸鐵鋰動力電池作為研究對象，考察了單體電池在內(nèi)阻不一致、剩余容量不一致、初始SOC 不一致這三種情形下電池組的并聯(lián)特性，結(jié)論如下。

（1）磷酸鐵鋰電池的直流阻抗隨著電池SOC的變化而變化，在SOC 較低時(shí)，電池的內(nèi)阻顯著增大，會將電池之間的內(nèi)阻不一致性放大，造成并聯(lián)電池各支路電流成倍的偏差。電池內(nèi)阻出現(xiàn)顯著變化的SOC 拐點(diǎn)與電流大小有關(guān)，大電流放電比小電流放電情況下，更快到達(dá)這個(gè)拐點(diǎn)。因此，為了減緩磷酸鐵鋰電池組內(nèi)阻在SOC 高、低兩側(cè)的突變對電池不一致性的放大作用，應(yīng)盡量避免電池組過度放電，可以選擇在電池組SOC 中段使用。

（2）在電池容量相差不超過7%的條件下，電池組充、放電前期電流平穩(wěn)，在放電末期出現(xiàn)較大差異，放電后期電流大小變化甚至出現(xiàn)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

（3）并聯(lián)電池組單體電池初始SOC 不一致的情況可以在恒壓充電模式下逐漸得到緩解。

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