基于容量增量法的防爆锂电池老化指标分析.pdf

工矿自动化 In d us t r y a n d Min e Aut o ma t io n 第45卷第12期 2019年12月 Vo l 45 No 12 Dec 2019 文章编号1671-251X201912-0029-06 DOI10. 13272/j. issn . 1671251x. 2019080003 基于容量增量法的防爆锂电池老化指标分析 陈继永1,吴兆宏3,李金喜14 1.江苏工程职业技术学院航空与交通工程学院％江苏 南通226007； 2.江苏省智能网联汽车工程技术研究开发中心％江苏南通226007； 3.安标国家矿用产品安全标志中心％北京100013； 4.中国矿业大学 信息与控制工程学院％江苏 徐州221116 摘要现有防爆锂电池矿用机车电池管理系统中电池健康状态仅用于预测电池剩余使用寿命，不对电池 老化原因进行分析，对电池维护缺乏指导意义。针对该问题，首先分析了导致锂电池老化的内部因素，即锂 离子损耗、活性物质溶解、内阻增加；然后基于容量增量法原理，提出了 一种防爆锂电池老化指标分析方法， 根据锂电池容量增量曲线高度和横向位置分别对锂离子损耗、活性物质溶解、内阻增加导致的锂电池老化进 行量化分析，得出了相应的老化指标；最后介绍了电池管理系统中计算锂电池容量增量和确定容量增量曲线 峰谷点的方法采用电池充放电试验分析了充放电次数和充放电倍率对电池老化的影响防爆锂电池以较 小充放电倍率操作时，随着充放电次数增加，锂电池老化主要为锂离子损耗和活性物质溶解导致的老化；增 大电池充放电倍率对内阻增加导致的电池老化影响最大。该方法有助于防爆锂电池管理系统更准确地估算 电池健康状态，并为电池维护和电池管理系统的参数设定提供依据 关键词矿用机车；防爆锂电池；电池管理系统；电池健康状态估算；电池老化；老化指标；容量增 量 中图分类号TD525 文献标志码A Ag in g in d s a n a l y sis o f expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t er y ba sed o n in c r emen t a l c a pa c it y met h o d CHENJiy o n g1,2, WUZh a o h o n g3, LIJin xi1,4 1.Sc h o o l o f Av ia t io n a n d Tr a n spo r t a t io n ,Jia n g suColeg eo f En g in e er in g a n d Te c h n o l o g y , Na n t o n g 226007,Ch in a ;2.Jia n g suP r o v in c e In t elig e n t Net w o r k Un it ed Aut o mo bil eEn g in eer in g Tec h n o l o g y RkD Ce n t er , Na n t o n g 226007, Ch in a ; 3. Min in g P r o d uc t s Sa f et y Appr o v a l a n d Cer t if ic a t io n Cen t er Co .,Lt d .,Beijin g 100013,Ch in a ;4.Sc h o o l o f In f o r ma t io n a n d Co n t r o l En g in e er in g ,Ch in a Un iv e r sit y o f Min in g a n d Tec h n o l o g y ,Xuzh o u221116,Ch in a Abst r a c t St a t e o f h ea l t h SOH in exist in g ba t t er y ma n a g emen t sy st em BMS f o r min e-used l o c o mo t iv e po w er ed by expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t er y is o n l y used t o pr ed ic t r ema in in g ser v ic e l if e o f t h e b ate r y ,b ut n o t f o r c a use a n a l y sis o f b ater y a g in g , w h ic h h a s n o g uid in g sig n if ic a n c e f o r b ater y ma in t en a n c e .In o r d e r t o so l v e t h epr o bl em,in t e r n a l f a c t o r sl ea d in g t o l it h iumbater y a g in g w er ea n a l y zed f ir st l y t h a t w er el it h iumio n l o ss,d isso l ut io n o f a c t iv esubst a n c esa n d in c r ea seo f in t er n a l r esist a n c e.Th en a n a g in g in d sa n a l y sis met h o d o f expl o sio n -pr o o f l it h ium b ater y w a s pr o po sed w h ic h w a sba sed o n in c r e men t a l c a pa c it y IC met h o d .Ac c o r d in g t o h eig h t a n d t r a n sv er se po sit io n o f IC c ur v e o f l it h ium ba ter y , l it h ium ba ter y a g in g c a used by l it h ium io n l o ss, d isso l ut io n o f a c t iv e subst a n c es a n d in c r ea se o f 收稿日期收稿日期2019-08-01；修回日期修回日期 2019-11-11；责任编辑责任编辑李明。 基金项目基金项目南通市科技计划项目JCZ18065 作者简介作者简介陈继永1981-，男，江苏徐州人，讲师，硕士 主要研究方向为储能系统管理,E-ma il c h en jiy o n g 2005 126. c o m。 引用格式引用格式陈继永，吴兆宏，李金喜基于容量增量法的防爆锂电池老化指标分析工矿自动化2019,45122934. CHEN Jiy o n g ,WU Zh a o h o n g ,LI Jin xi. Ag in g in d s a n a l y sis o f expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t er y ba sed o n in c r emen t a l c a pa c t y met h o d］〕. In d ust r y a n d Min e Aut o ma t io n,2019,4512 29-34. 30 - 工矿自动化 45 in t er n a l r esist a n c e w er e a n a l y zed q ua n t it a t iv el y t o o bt a in c o r r espo n d in g a g in g in d s. Fin a l l y , met h o d s o f c a l c ul a t in g l it h ium ba t t er y IC a n d d et er min in g pea k a n d v a l l ey o f IC c ur v e in BMS w er e in t r o d uc ed . Th e in f l uen c es o f c h a r g e a n d d isc h a r g e n umber a n d c h a r g e a n d d isc h a r g e r a t io o n ba t t er y a g in g w er e a n a l y zed by ba t t er y c h a r g e a n d d isc h a r g e t est s Th e t est r e sul t s sh o w t h a t w it h in c r ea se o f c h a r g e a n d d isc h a r g e n umber , expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t e r y a g in g is ma in l y c a used by l o ss o f l it h ium io n a n d d isso l ut io n o f a c t iv e subst a n c es w h en it is o per a t ed w it h a sma l l c h a r g e a n d d isc h a r g e r a t io . In c r ea sin g c h a r g e a n d d isc h a r g e r a t io o f t h e ba t t er y h a s t h e g r ea t est in f l uen c e o n ba t t e r y a g in g c a used by in c r ea se o f in t er n a l r esist a n c e. Th e met h o d is g o o d f o r BMS o f expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t er y t o est ima t e SOH mo r e c o r r ec t l y a n d c a n pr o v id e ba sis f o r ba t t er y ma in t en a n c e a n d BMS pa r a met er s set t in g . Key words min e-used l o c o mo t iv es; expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t er y ; ba t t er y ma n a g emen t sy st em ； st a t e est ima t io n o f ba t t er y h ea l t h; ba t t er y a g in g ； a g in g in d ex; in c r emen t a l c a pa c it y met h o d 0引言引言 鉴于锂电池性能提升和价格下降，其在煤矿井 下的应用越来越广泛。其中防爆锂电池矿用机车是 锂电池在煤矿井下应用的重要发展方向12。根据 安标国家矿用产品安全标志中心2017年5月出台 的矿用产品安全标志审核发放实施规则，矿用机 车多采用安全性能较高的磷酸铁锂电池制作防爆锂 电池［34］。正常情况下防爆锂电池不会出现安全问 题，但当电池出现老化，而电池管理系统Ba t t e r y Ma n a g emen t Sy st em, BMS又未及时处理并报警 时，则容易出现因某一单体电池过充、过放、过温等 情况而导致电池热失控的现象，从而引发燃烧或爆 炸等5。因此，准确预测电池健康状态St a t e o f Hea l t h ,SOH是BMS对防爆锂电池进行安全保护 的重要依据，且有助于维护人员及时更换损坏的单 体电池，延长电池组使用寿命56 目前,BMS中SOH仅用于预测电池剩余使用 寿命,不对电池老化原因进行分析，对电池维护缺乏 指导意义。影响电池老化的因素有很多，一般可分 为外部因素和内部因素。电气相关专业研究人员多 分析电池老化的外部因素，以便在BMS中对最大 充放电倍率、最大放电深度等参数进行控制［79］，对 电池SOH估算没有意义。电化学相关专业研究人 员多分析电池老化的内部因素，通过分析电池内部 电化学成分变化解释电池容量衰退的原因，但需要 对电池进行破坏性试验，不适合在线预测1013。 本文根据防爆锂电池容量增量In c r e men t a l Ca pa c it y，IC曲线变化，分析IC曲线与电池老化内 部因素的关系，定量计算各内部因素导致的电池老 化指标，有助于矿用机车防爆锂电池BMS更加准 确地进行SOH估算，并为电池维护和BMS参数设 定提供依据。 1锂电池老化内部因素分析锂电池老化内部因素分析 1. 1 锂离子损耗 锂电池在首次充电时，会在负极表面生成固体 电解质界面So l id El e c t r o l y t e In t e r f a c e , SEI膜。 SEI膜的形成会消耗部分锂离子。如果在锂电池使 用过程中SEI膜遭到破坏，那么在电池负极表面会 不断消耗锂离子形成新的SEI膜，从而造成活性锂 离子减少，导致电池容量衰减。 1. 2 活性物质溶解 性 是 指 中 蚀。造成活性物质溶解的主要原因活性物质中金 属元素溶解导致其质量减小；正极材料溶解后引起 锂离子传输受阻；负极材料表面因金属离子沉积造 成电极表面极化增加等。 1. 3 内阻增加 锂电池内阻增加是导致容量衰减的重要因素。 主要 原 导致表面膜内阻增加；负极SEI膜重新生成；正极 金属离子溶解后迁移到负极，在负极表面沉积1013。 2防爆锂电池老化指标分析防爆锂电池老化指标分析 2. 1 IC法原理 IC法是研究SOH的常用方法。其原理是对电 池进行恒流充放电试验，连续记录电池开路电压 Open -Cir c uit Vo l t a g e, OCV和充放电量，绘制 OCV对应电池容量变化曲线1415。4 500 mA - h 磷酸铁锂电池在25 C时OCV对应容量变化曲线 如图1所示。准确的OCV测量方法是电池停止充 放电静置一段时间后再测量其OCV,从而去除极化 电压对OCV的影响。此时以C/20C为充放电倍 率 ， 少 压影 响 ， 实 测 电池电压视为OCV。 OCV对应电池容量曲线会随电池老化而变化, 2019 12 陈继永等基于容量增量法的防爆锂电池老化指标分析・31・ Fig . 1 Ca pa c it y -OCV c ur v e o f l it h ium ba t t er y 能够反映电池容量衰退特征。但充放电中间阶段, 在很长一段容量增减区间内OCV变化很小，这段 区间称为电压平台（4）（图1中虚线框区域）。实际 应用中很难利用电压平台曲线分析电池内部电化学 变化过程，从而无法实现电池SOH估算。因此将 电压平台曲线转换为OCV对应IC变化曲线，如 图2所示。 3 5 电池初始状态 一电池老化但可使用 -一-电池老化即将报废I] 31 10 9 8 7A・ q・ vDI7A・ q・ vDI OCV/V 图3锂离子损耗导致电池老化对应IC曲线 Fig . 3 IC c ur v e o f ba t t er y a g in g c a used by l it h ium io n l o ss 10l 3 -5 - / | ； 11 \ V _10_____I_____I_____I___L_i_____I_____I_____I 3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45 O O 0 9 8 7 6 5 4 3 2 0 9 8 7 6 5 4 3 2 7 A ・ q ・ v 7 A ・ q ・ v 电池初始状态 A -电池老化但可使用 电池老化即将报废 3-3- O O5 52 2 .20.20 5 53 3 .30.30 O O 3-3- OCV/V 图2锂电池OCV对应IC变化曲线 Fig .2 IC-OCV c ur v e o f it h ium ba ter y 定义锂电池IC为则有 △c d/ d △/ （1） 式中 为电池充/放电容量，A・h； 为电池 OCV,V；为一很小区间内电池充/放电容量变 化量，A・h；为该区间内电池OCV变化量，V。 IC可理解为瞬间容量变化量与电压变化量的 关系。图2中充/放电IC曲线到横轴之间区域面积 表示在充/放电阶段，对应电压区间段电池累计充 入/释放容量。受电池老化程度影响，该曲线峰谷高 度、位置和峰的面积不尽相同，能够直观反映电池内 部电化学变化特征「14）。 2. 2 基于IC法的电池老化指标分析 矿用机车工作位置不断变化，路况、载荷和工作 温度也在不断变化，所以防爆锂电池放电时不可能 恒流、恒温，在放电阶段很难采用IC法估算SOH。 防爆锂电池充电时在固定地点采用恒流充电，充电 电流和温度可保持基本不变，因此本文仅研究充电 时电池老化指标。 磷酸铁锂电池老化原因主要包括锂离子损耗、 活性物质溶解和内阻增加，每一种老化模式对IC曲 线的影响不同。通过电化学方式实现防爆锂电池 3种老化模式对应的IC曲线如图3-图5所示。 OCV/V 图4活性物质溶解导致电池老化对应IC曲线 Fig .4 ICc ur v e o f b ater y a g in g c a use d by d isso l ut io n o f a c t iv e subst a n c es 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 7A・ q・ vDI7A・ q・ vDI 电池初始状态 -电池老化但可使用 -一电池老化即将报废 OCV/V 图5内阻增加导致电池老化对应IC曲线 Fig . 5 IC c ur v e o f ba t t er y a g in g c a used by in c r ea se o f in t e r n a l r esist a n c e （1）锂离子损耗导致电池老化的情况。锂电池 最大容量取决于电池正负极间能够进行嵌入和脱出 可逆反应的锂离子含量。从图3可看出，锂电池发 生锂离子损耗时％C曲线峰1高度不变，横向位置 发生右移，即峰1对应IC不变，OCV变大；谷2和 谷4高度和横向位置均基本不变；峰3高度略微下 降,横向位置不变，即峰3对应的IC略微变小, OCV不变；峰5高度明显下降，横向位置不变，即 峰5对应IC明显变小，OCV不变。可见锂离子损 耗造成的电池老化最明显特征是IC曲线峰5对应 IC明显变小。因此，可通过峰5对应IC对锂离子 损耗导致的电池老化进行量化，电池老化指标为 ・32・ 工矿自动化 45 LLI Mo M f 100 2 △Cp50 式中％Cp50为电池初始状态峰5对应IC；Cp5为电池 当前状态峰5对应IC。 2 活性物质溶解导致电池老化的情况。从 图4可看出，锂电池发生活性物质溶解时，IC曲线 峰1、峰3、峰5和谷2、谷4高度均变小，而横向位置 基本不变，即对应IC变小，OCV不变，其中峰3高 度变化最明显。因此，可通过峰3对应IC对活性物 质溶解导致的电池老化进行量化，电池老化指标为 lam F； “3 f 100 3 △Cp30 式中％Cp30为电池初始状态峰3对应IC；为电池 当前状态峰3对应IC。 3 内阻增加导致电池老化的情况。从图5可 看出，锂电池发生内阻增加时，IC曲线峰1、峰3、 峰 5 和 2 、 4 高 均 基 本 不 变 而 向 生 左移，即对应IC不变，OCV变小，其中峰5左移最 明显。因此，可通过峰5对应OCV对内阻增加导 致的电池老化进行量化，电池老化指标为 、△ 计算，其中/为充电电流，△方为时间间隔。 3. 2 峰谷点确定 本文重点研究电池池IC曲线峰3和峰5的确定。 图6电池IC计算流程 Fig .6 Ca l c ul a t io n f l o w o f bater y IC 理想情况下，当△C-2 △“-1且△cn-1〉△时，判 断△-1 为峰；当△“2〉△51 且△51 V 时，判 断△c-1为谷。以此计算第2个峰值即峰3,第3个 峰值即峰5。但BMS在实际应用中受多种因素影 响，使用该方法易对峰谷点产生误判，设计时应考虑 以。 1 干扰信号影响。随机干扰信号会导致IC 曲线上突然出现1个或几个明显高于或低于其他点 的IC。为避免干扰信号影响，在软件设计时可用上 述方法初步判定峰点和谷点，然后根据是否连续若 干个IC逐次变小来确定峰点、连续若干个IC逐次 变大来确定谷点。实际IC曲线并非如图2所示有 明显3个峰和2个谷，在峰1左侧相对平缓区域也 会有一些波动较小的峰谷点，这些峰谷点对电池老 化指标分析意义不大，可忽略。 2 未完全放电即充电或充电未充满。在实际 应用中，经常会出现电池放电未达到最大放电深度 即开始充电，或充电未充满即停止充电的情况。在 该情况下，如果采用上述方法判断峰谷点，可能出现 峰 3 误 峰 1 峰 5 误 峰 3 情 况 。 避免误判，可采用区间判断法，即根据前期不同老化 程度电池测试结果，确定各峰谷点出现的OCV区 间，以此判定各峰谷点对应图2中峰谷编号。由于 压 影 响 BMS 线 测 池 压会大于真正OCV,且不同充放电倍率下极化电压 不 同 峰 3 和 峰 5 OCV 会 重 再结合IC区间共同判断峰谷点。本文通过试验测 定的4 500 mA・h磷酸铁锂单体电池各峰谷点对 应OCV和IC区间见表1。 表1单体锂电池各峰谷点对应OCV和IC区间 Ta bl e1 OCVa n d ICs e c t io n s o f e a c h pe a ko r v aley po in t o f a sin g l e l it h ium ba t t er y 峰谷编号OCV/VIC/A ・ h ・ V-1 峰13. 20〜3. 28 3.0 〜4.0 2 3. 22〜3. 30 1.2 〜1.8 峰33. 26〜3. 347.0 〜9.5 43. 28〜3. 361.8 〜3.0 峰53. 30〜3. 445.8 〜7.6 2019 12 陈继永等基于容量增量法的防爆锂电池老化指标分析・・33・ ・ 4 试验验证试验验证 通过自制电池充放电装置图7a 进行电池 充放电试验，以验证基于IC法的防爆锂电池 指 标分析方法 行性。。电池选 池，如图7b所示。电池额定电压为3.2V, ,额定容 量为4 500 mA・・h。 。 a 自制电池充放电装置 b 电池 图7电池充放电试验设备 Fig .7 Te s t e q uipme n t s f o r bater y c h a r g in g a n d d isc h a r g in g 4. 1 充放电次数对电池老化影响 最常见的防 池 是随着充放电循环次 ，电池容 降至报废 程。在25 0 时以C/20对电池进行500次恒流充放电，充电IC 曲线如图8所示。 10 r q 初次充电 循环250次充电 3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45 OCV/V 图8防爆锂电池恒流充放电时充电IC曲线 Fig . 8 Ch a r g in g IC c ur v e o f expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t e r y c h a r g in g -d isc h a r g in g w it h c o n st a n t c ur r en t 计算循环500次恒流充放电后电池老化指标 LLI M-M x 100 △ Cp50 7 C ・1006. 58 7.6 lam F「Mf 100 △Cp30 9 “5-8 95 X1005. 29 9.45 ORI p；-p5X100 p50 .28X100 0. 15 可看出防爆锂电池以较小充放电倍率操作时, 随着充放电次数增加，存在因锂离子损耗、活性物质 和 导致 池 ， 导致 池 影响相对较小，主要是 和活 性物质溶解导致的老化。 4. 2 充放电倍率对电池老化影响 率是 影 响 池 容 最 素。 率越高，电池容 。在25 0 时以1C和2C对电池进行500次恒流充放电，充电 IC曲线如图9所示。 C/20充放电初次充电 C/20充放电500次后充电 图9防爆锂电池不同倍率恒流充放电充电IC曲线 Fig . 9 Ch a r g in g IC c ur v e o f expl o sio n -pr o o f l it h ium ba t t er y c h a r g in g -d isc h a r g in g w it h c o n st a n t c ur r en t un d er d if f er en t r a t io s 计算以2C恒流充放电500次后电池老化指标 KLLI Cp50-Cp5 X100 △Cp50 7- 6一，95 X 1008. 55 △p3X100 △Cp30 9 49-8,85 X100 6.35 ORI p；-p5X100 p50 3 3333-333 319 X100 0.42 与以C/20恒流充放电500次后电池老化指标 相比， ，lli增加29.9， ，lam增加20， ，ori增加 180 o 大电池 率对电池 导致的电池 影响最大。 。 5结论结论 1针对现有矿用机车防爆锂电池BMS中 SOH无法 池 原因分析 ，在分析电 池 部 基础上，提 基于IC法的防爆 池 指标分析 法 通 分析 、 、 性 和 对电池IC曲线变 影响, 定量分析防 池 。 。 34 - 工矿自动化 45 2 通过充放电次数和充放电倍率对电池老化 的影响试验验证了该方法的可行性。试验结果表 明防爆锂电池以较小充放电倍率操作时，随着充放 电次数增加，锂电池老化主要为锂离子损耗和活性 物质溶解导致的老化；增大电池充放电倍率对电池 内阻增加导致的电池老化影响最大。 3 基于IC法的防爆锂电池老化指标分析方 法有助于BMS更准确地估算SOH,并为电池维护 和BMS参数设定提供依据，有利于提高矿用机车 防爆锂电池使用安全性，增加电池使用寿命。 4 下一步将利用该方法重点研究电池老化内 部因素与电池剩余电量之间的关系，建立剩余电量 估计模型，提高BMS对SOH预测的准确性。 参考文献References [1] 谈发明，王琪.矿用动力电池荷电状态预测[J].工矿 自动化，2019,4517075. 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