英國開發(fā)提高電池組壽命和性能――低成本DTV法

壽命是影響鋰離子電池使用成本的關(guān)鍵因素，因此各大廠家都紛紛采用各種手段提高自家鋰離子電池的使用壽命。鋰離子電池的使用壽命多個(gè)因素息息相關(guān)，其中電池組管理策略對鋰離子電池組的使用壽命有著顯著的影響，為了更好的管理整個(gè)電池組，控制電路(BMS)需要對電池組中的單體電池的健康狀態(tài)(SOH)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，以便能夠及時(shí)對電池組的供電和充電進(jìn)行調(diào)整，從而提升電池組的壽命和性能表現(xiàn)。傳統(tǒng)的SOH監(jiān)控方法主要是采集電池的容量衰降和功率衰降數(shù)據(jù)，這種方法較為簡單、粗略，無法分辨不同的衰降機(jī)理造成的衰降，因此無法準(zhǔn)確判斷電池的SOH狀態(tài)，因此這種監(jiān)控策略是相當(dāng)?shù)托У囊环N方法。

英國帝國理工大學(xué)的Yu Merla開發(fā)了一種基于溫度和電壓的SOH監(jiān)控方法--溫度電壓微分法(DTV)，該方法基于Maher和Yazami兩人在利用熵和焓分析鋰離子電池電極狀態(tài)的杰出工作，該方法僅需要測量電池在在連續(xù)放電過程中溫度和電壓的變化，就可根據(jù)這些數(shù)據(jù)推斷鋰離子電的SOH狀態(tài)。

Yu Merla采用4只5Ah的方形鋰離子聚合物電池(正極NCM，負(fù)極石墨)并聯(lián)成為電池組(其中一只電池預(yù)先經(jīng)過了老化處理，用于測試該方法是否有效，電池組采用主動(dòng)風(fēng)冷散熱)，并在每只電池中間位置安放了K型熱電偶，用于測量電池表面溫度。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在開始放電的時(shí)候，三只全新的電池電流較大，但是在放電后期老化電池的電流反而要高于三只新電池。一般來說大電流放電會(huì)加速電池的衰降，在移除負(fù)載后，由于不同衰降程度的電池之間存在電壓差，因此并聯(lián)電池之間還會(huì)發(fā)生充放電以達(dá)到相同電壓，這會(huì)進(jìn)一步造成電池的衰降，因此對與電池組來說，需要及早鑒別出衰降過大的電池并及時(shí)進(jìn)行更換。

對采集的電池電壓和溫度等數(shù)據(jù)利用MATLAB軟件進(jìn)行微分處理，dT/dV曲線的峰的位置和寬度等信息可以用來表征電池的SOH狀態(tài)，從分析結(jié)果上可以看出放電過程中，老化電池的dT/dV峰的電壓更低，峰寬更寬。在實(shí)際應(yīng)用中如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)電池的dT/dV峰的電壓明顯低于其他電池，峰寬明顯大于其他電池，這說明在該電池出現(xiàn)了老化，并聯(lián)電池組內(nèi)電流分布出現(xiàn)了不均勻的現(xiàn)象，該老化電池需要進(jìn)行及時(shí)更換。

在充電過程中由于產(chǎn)熱較少，散熱較快，既dT/dt0，因此出現(xiàn)了負(fù)峰。所以在曲線上出現(xiàn)了兩個(gè)dT/dV=0的點(diǎn)，由于電壓與活性物質(zhì)的相型之間密切關(guān)系，因此可以根據(jù)該點(diǎn)的位置跟蹤活性物質(zhì)的相變點(diǎn)。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)上可以看到，充電過程，老化電池的兩個(gè)dT/dV=0點(diǎn)的電壓和出現(xiàn)負(fù)峰值的電壓都明顯高于另外三只正常電池的電壓，因此該數(shù)據(jù)也可以用于檢測電池的SOH值。

相比于低頻交流阻抗法，ICA法，DHTV法等檢測方法，DTV方法僅需要數(shù)量有限的熱電偶采集電池溫度數(shù)據(jù)，通過與BMS實(shí)時(shí)采集的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行微分處理，就可以獲得單體電池的SOH狀態(tài)，因此DTV檢測方法的使用成本要遠(yuǎn)低于其他方法。

由于成本低廉，方法簡單，DTV方法十分適合用于電池組中單體電池的SOH狀態(tài)檢測，及時(shí)發(fā)現(xiàn)老化電池，提醒用戶進(jìn)行更換，有效提高電池組的壽命和安全性。該項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用在電動(dòng)汽車電池組、智能手機(jī)和筆記本電池的SOH狀態(tài)監(jiān)控，用來提高電池的壽命和性能。