英国开发低成本DTV法,提高电池组寿命和性能

锂粉制备技术

寿命是影响锂离子电池使用成本的关键因素,因此各大厂家都纷纷采用各种手段提高自家锂离子电池的使用寿命。锂离子电池的使用寿命多个因素息息相关,其中电池组管理策略对锂离子电池组的使用寿命有着显著的影响。

为了更好的管理整个电池组,控制电路(BMS)需要对电池组中的单体电池的健康状态(SOH)进行实时的监控,以便能够及时对电池组的供电和充电进行调整,从而提升电池组的寿命和性能表现。

传统的SOH监控方法主要是采集电池的容量衰降和功率衰降数据,这种方法较为简单、粗略,无法分辨不同的衰降机理造成的衰降,因此无法准确判断电池的SOH状态,因此这种监控策略是相当低效的一种方法。

英国帝国理工大学的Yu Merla开发了一种基于温度和电压的SOH监控方法——温度电压微分法(DTV),该方法基于Maher和Yazami两人在利用熵和焓分析锂离子电池电极状态的杰出工作,该方法仅需要测量电池在连续放电过程中温度和电压的变化,就可根据这些数据推断锂离子电池的SOH状态。

基于温度和电压的SOH监控方法(测试装置示意图)

基于温度和电压的SOH监控方法(测试装置示意图)

Yu Merla采用4只5Ah的方形锂离子聚合物电池(正极NCM,负极石墨)并联成为电池组(其中一只电池预先经过了老化处理,用于测试该方法是否有效,电池组采用主动风冷散热),并在每只电池中间位置安放了K型热电偶,用于测量电池表面温度。

实验中发现,在开始放电的时候,三只全新的电池电流较大,但是在放电后期老化电池的电流反而要高于三只新电池。一般来说大电流放电会加速电池的衰降,在移除负载后,由于不同衰降程度的电池之间存在电压差,因此并联电池之间还会发生充放电以达到相同电压,这会进一步造成电池的衰降,因此对于电池组来说,需要及早鉴别出衰降过大的电池并及时进行更换。

对采集的电池电压和温度等数据利用MATLAB软件进行微分处理,dT/dV曲线的峰的位置和宽度等信息可以用来表征电池的SOH状态,从分析结果上可以看出放电过程中,老化电池的dT/dV峰的电压更低,峰宽更宽。

在实际应用中如果发现某个电池的dT/dV峰的电压明显低于其他电池,峰宽明显大于其他电池,这说明该电池出现了老化,并联电池组内电流分布出现了不均匀的现象,该老化电池需要进行及时更换。

对采集的电池电压和温度等数据进行微分处理(示意图)

对采集的电池电压和温度等数据进行微分处理(示意图)

在充电过程中由于产热较少,散热较快,既dT/dt<0,因此出现了负峰。所以在曲线上出现了两个dT/dV=0的点,由于电压与活性物质的相型之间密切关系,因此可以根据该点的位置跟踪活性物质的相变点。

从统计数据上可以看到,充电过程,老化电池的两个dT/dV=0点的电压和出现负峰值的电压都明显高于另外三只正常电池的电压,因此该数据也可以用于检测电池的SOH值。

相比于低频交流阻抗法,ICA法,DHTV法等检测方法,DTV方法仅需要数量有限的热电偶采集电池温度数据,通过与BMS实时采集的电压数据进行微分处理,就可以获得单体电池的SOH状态,因此DTV检测方法的使用成本要远低于其他方法。

由于成本低廉,方法简单,DTV方法十分适合用于电池组中单体电池的SOH状态检测,及时发现老化电池,提醒用户进行更换,有效提高电池组的寿命和安全性。该项技术可以应用在电动汽车电池组、智能手机和笔记本电池的SOH状态监控,用来提高提高电池的寿命和性能。

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