锂离子电池组合前后的特性研究

锂离子电池组合前后的特性研究

　　本文由ｚｄｈｅ０３贡献

　　ｐｄｆ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机查看。

　　第　３７　卷　２００７　年

　　第　４期　８月

　　电　ＢＡ　Ｔ　Ｔ　ＥＲ　Ｙ

　　池　ＢＩＭ　ＯＮ　ＴＨＬ　Ｙ

　　Ｖｏｌ　３７，　Ｎ　ｏ　４　Ａ　ｕｇ　，　２００７

　　锂离子电池组合前后的特性研究

　　张华辉１，　齐铂金１　，　袁学庆２，　郑敏信１

　　（　１　北京航空航天大学机械　工程及自动化学院，　北京　１０００８３；　２　中国科学院沈阳自动化研究所，　辽宁　沈阳　１１００１６）

　　摘要：　为更好地使用锂离子电池组，　更精确地估算电池的　荷电状态　（　ＳＯＣ）　，　对　锂离子　电池组合　前后进　行了常　温　４　０　Ａ　充放　电、　常温　７　５　Ａ　放电、　２０　！　下　４　０　Ａ　放电以及　５５　！　下　４　０　Ａ　放电等实验测试。实验结果显示：　锂离子电池成组后的充放　电特性有所　下降，　电池组总容量下降为单体电池的　９０％　左右，　ＳＯＣ　偏低，　工　作电压　的下降　速率在放　电末期　急剧上　升，　可达　平台区的　５０　倍。对电池组的一致性进行了分析，　得出锂离　子电池　成组时应　充分考　虑单体　电池的　一致性；　在估　算　ＳＯＣ　时，　采用电池组参数和单体电池参数相结合的方式。　关键词：　锂离子电池；　中图分类号：　Ｔ　Ｍ　９１２　９　充放电特性；　一致性　文章编号：　１００１－　１５７９（　２００７）　０４－　０２９４－　０３　文献标识码：　Ａ

　　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｌｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｇｒｏｕｐｅｄ

　　ＺＨＡＮＧ　Ｈ　ｕａ　ｈｕｉ１　，　ＱＩ　Ｂｏ　ｊｉｎ１，　ＹＵＡＮ　Ｘｕｅ　ｑｉｎｇ　２，　ＺＨ　ＥＮＧ　Ｍ　ｉｎ　ｘｉｎ１

　　（　１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍ　ｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　＆　Ａ　ｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　，　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　１０００８３，　Ｃｈｉｎａ；　２　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉ　ｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａ　ｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａ　ｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　，　Ｓｈｅｎｙａｎｇ，　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１１００１６，　Ｃｈｉｎａ）

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒ　ｇｅ　（　ＳＯＣ）　ｍｏｒ　ｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，　ｓｏｍｅ

　　ｃｈａｒｇｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ｅｘ　ｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｇｒｏｕｐｅｄ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　４　０　Ａ　ｃｈａｒｇｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ａｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ　ｅ，　７　５　Ａ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ａｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｔｅｍｐｅｒ　ａｔｕｒｅ，　４　０　Ａ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ａｔ　－　２０　！　ａｎｄ　５５　！　ｗｅｒｅ　ｄｏｎｅ　Ｔ　ｈｅ　ｅｘｐｅｒ　ｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇ　ｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔ　ｉｃｓ　ｏ　ｆ　ｔ　ｈｅ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｄｅｓｃｅｎｄｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｇ　ｒｏｕｐｅｄ，　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｈａｄ　ｌｏｗ　ｅｒ　ｔｏｔａｌ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ（　ａｂｏｕｔ　９０％　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇ　ｌｅ　ｃｅｌｌ）　，　ｌｏｗｅｒ　ＳＯＣ，　ｉｔｓ　ｗｏｒｋ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｅｓｃｅｎｄｅｄ　ｆａｓｔｅｒ　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｈａｒｇｅ　ｐｈａｓｅ　（　５０　ｔｉｍｅｓ　ｆａｓｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｉｎ　？ｆｌａｔ　ｒｏｏｆ＃　ｓｔａｇｅ）　Ｔ　ｈｅ　ｃｏ　ｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗ　ａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　Ｔ　ｈｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｗｈｅｎ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒ　ｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｇｒ　ｏｕｐ　Ａｓ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ＳＯＣ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔ　ｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔ　ｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ

　　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ；

　　ｃｈａｒｇｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｉｓｔｉｃｓ；

　　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ

　　锂离子电池因其端电压高、　比能　量大、　充放　电寿命长、　电　放　性能稳定、　自放电　率　低和　无污　染等　优点　［　１２］

　　，　得到　了广　泛的　应

　　１　锂离子电池成组前后的特性对比实验

　　电池组　Ａ　和　Ｂ　的组合方式如图　１　所示。

　　用。锂离子电池　的特　性，　一般　是指　锂离　子　单体　电池　的特　性，　如　不同电流下　的充　放电　特性、　同温　度下　的充　放电　特性　等　［　３－　４］　。　不　当电池组中的单体电池的特性完　全一致　时，　电　池组的　特性才　体　现出与单体　电池一　致的　或

锂离子电池组合前后的特性研究

满　足一　定规　律的　特性　［　５］　。本　文作　者　以　ＩＭ　Ｒ４２１２０　锂离子电池（　１０　Ａｈ，　潍坊产）　作　为实　验对象，　对　单　体电池和电池　组进　行　实验，　以　找　到　两者　特　性的　相　似　点和　差　异　性。实验中所有电池均为新电池。　作者简介：

　　图１　Ｆｉｇ　１

　　电池组的连接方式

　　Ｔ　ｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ

　　张华辉（　１９７９－　）　，　女，　浙　江人，　北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士　生，　研究方向：　新型电源技术，　本文联系人；　齐铂金（　１９６３－　）　，　男，　湖　南人，　北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授　，　博士生导师，　研究方向：　新型电源技术及应用；　袁学庆（　１９７０－　）　，　男，　辽　宁人，　中国科学院沈阳自动化研究所副研究员，　研究方向：　水下　机器人；　郑敏信（　１９７８－　）　，　男，　山　西人，　北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士　生，　研究方向：　机电过程控制及自动化。　基金项目：　８６３　计划　电动汽车重大专项车用高性能蓄电池组及其管理模块子项目（　２００５ＡＡ　５０１５５０）　　　　第４期

　　张华辉，　等：　锂离子电池组合前后的特性研究

　　２９５

　　在实验　过　程　中，　监　测　各　单　体　电　池　的　端　电　压　和　荷　电　状　态　（　ＳＯＣ）　、　电池组的总　电压。　１　１　充电实验设计　采用先　恒流　后恒　压　的充　电模　式。恒　流　充电　的　电　流为　４　０　Ａ　，　并控制串联电池组中单　体电池　的最高端　电压为　４　２　Ｖ，　即　当　电池组中单体电池的　最高　端电　压达到　恒压　点（　４　２　Ｖ　）　时，　转　入　恒压充电阶段。当充电电流小于　０　４　Ａ　时，　充电停止。　１　２　放电实验设计　根据中国科学　院沈　阳　自动　化研　究所　的水　下机　器人　备用　电　源的使用要求，　采用　４　０　Ａ　和　７　５　Ａ　恒流放电，　当单体电池的最　低端电压低于　３　０　Ｖ　时，　停止放电。　　　　从图　３　可见：　电池在恒流　放电条　件下的　工作电　压变化　可分　为　３　个阶段：　？　放电初期，　电压下　降较快；　％　之后放　电曲线　逐渐　趋于平缓，　进入　平台区　。这一阶段持续的时间与电　压值、　环境　温度、　放电倍率、　电池的质量和寿命等有关；　＆　放电末期，　曲线有　呈直线下降的趋势。电　池组　Ｂ　在放　电初　期和　末期　都有　较大　的　下降速率，　在高、　低温（　５５　！　和－　２０　！　）　放电时尤其明显。　表　１　是在常温下单体电池和电池组　４　０　Ａ　放电的电压下降　速率随　ＳＯＣ　的变化情况。　表　１　单体　电池和电池组　４　０　Ａ　放电的电压下降速率与　ＳＯＣ　的　关系　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔ　ｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗ　ｅｅｎ　ｔｈｅ　ＳＯＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｅｓｃｅｎｄｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇ　ｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗ　ｉｔｈ　４　０　Ａ

　　Ｓ　ＯＣ／　％　１００　９０　８０　７０　６０　５０　４０　３０　２０　１０　０　电压下降速率／　Ｖ？ｈ－　１　单体电池　３　６４　０　１７　０　１２　０　２９　０　１２　０　１０　０　１２　０　１７　０　２８　０　３４　５　００　电池组　Ａ　４　７８　１　７８　０　１７　０　１８　０　１８　０　１８　０　１８　０　１８　０　１８　３　７５　１２　６０　电池组　Ｂ　５　５３　２　７０　０　９０　１　８０　１　８０　０　９０　１　８０　２　７０　３　６０　６　３０　１６　２０

　　２　结果与讨论

　　２　１　充电性能　在常温　下，　单体电池和电池组以　４　０　Ａ　充电的曲　线，　如　图　２　所示。

　　图　２　单体电池和电池组　的　４　０　Ａ　充电曲线　Ｆ　ｉｇ　２　Ｔ　ｈｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗ　ｉｔｈ　４　０Ａ　由图　２　可知：　单体电池和　电池组的　电压在　充电初　期均有　较　大上升，　之后趋向平缓。电池组　Ｂ　的端　电压在　整个充　电过程　中　均具有较大　的上升率，　在　充电　末期　表现　尤　为明　显，　说明　单体　电　池成组后，　充电性能有所变化。　２　２　放电性能　图　３　是单体电池和电池组的放电测试结果。

　　从表　１　可知：　单体电池和　电池组　在放电　初期和　末期的　电压　下降速率均较大，　其中电池组　Ｂ　的波动　最大。这说　明在电　池成　组之后，　由于单体　电池　的不　一致　性，　电池　组的　放电　性能　受到　了　影响，　尤其表现在放电初期和末期　。这使得　电池组的容量下降，　ＳＯＣ　偏低。　２　３　一致性评价　由于锂离子电池一般以串　联或并　联方式　组合作为　动力源，　单体电池的一致性对电池组的使用十分关键　［　１的端电压随电池组　ＳＯＣ　的变化数据。　表２　Ｔａｂｌｅ　２　电池组　Ｂ　中　单体电池的端电压和电池组　ＳＯＣ　的关系　Ｔ　ｈｅ　ｒｅｌａｔ　ｉｏｎ　ｂｅｔｗ　ｅｅｎ　ｔｈｅ　ＳＯＣ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｔ　ｈｅ　ｅｎ

锂离子电池组合前后的特性研究

ｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　Ｂ

　　ＳＯＣ／　％　１００　９０　８０　７０　６０　５０　４０　３０　２０　１０　电池组中的单体电池的端电压／　Ｖ　１　４　２２　４　１９　４　１３　４　１０　４　０８　４　０２　３　９８　３　９４　３　８９　３　８１　３　４１　３　００　２　４　２８　４　２１　４　１３　４　１０　４　０８　４　０４　３　９９　３　９５　３　９１　３　８４　３　６６　３　６６　３　４　２８　４　２１　４　１３　４　１１　４　０９　４　０３　３　９８　３　９５　３　９１　３　８３　３　６６　３　６６　４　４　２９　４　２１　４　１３　４　０９　４　０９　４　０６　３　９８　３　９５　３　９１　３　８４　３　６８　３　６８　５　４　２７　４　２１　４　１３　４　１０　４　０９　４　０５　３　９８　３　９５　３　９２　３　８５　３　６５　３　６５　６　４　２６　４　１８　４　１３　４　１０　４　０８　４　０５　３　９９　３　９５　３　９２　３　８４　３　６１　３　６１　７　４　２７　４　２１　４　１３　４　１０　４　０８　４　０４　３　９８　３　９４　３　９０　３　８３　３　６１　３　６１

　　２］

　　。

　　表　２　是在常温下　４　０　Ａ　放电实验　中，　电池组　Ｂ　中单体　电池

　　图　３　不同温度下单体电池和电　池组的不同电流放电曲线　Ｆ　ｉｇ　３　Ｔ　ｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｕｒ　ｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇ　ｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒ　ｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ｃｕｒｒ　ｅｎｔｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

　　５　０

　　注：　表中数据为　２　只并联单体电池的平均值。

　　２９６

　　电　ＢＡ　Ｔ　Ｔ　ＥＲ　Ｙ

　　池　ＢＩＭ　ＯＮ　ＴＨＬ　Ｙ

　　第　３７　卷

　　由表　２　可见：　电池　组　Ｂ　中　单　体　电池　在　放电　初　期　以及　放　电　平台区　端电压的差　异较小，　具有　良好的　一致性。接　近放电　末　期，　尤其当电池组的　ＳＯＣ　小于　２０％　时，　单体电　池的端　电压开　始　发散，　一致性变坏；　当　ＳＯＣ　降到　１０％　以下时，　这种　发散程度更为　严重。这说　明锂离子电池在深放　电条件　下的一　致性变差，　电　池　组中某只或几只单体　电池　的端　电压　已经　下降　到放　电允　许的　最　低电压（　在本实验中规定为　３　００　Ｖ　）　，　而其他电池　的端电压还　远　远高于这个电　压。此　时，　若按　电池　组的　参数　估测　ＳＯＣ，　电池　组　还能继续放电，　而实际上，　该电池组已经不允许再放电了。　综上所述，　在电池组　的　ＳＯＣ　估测中，　应　采用　电池组　的参　数　和单体电池　的参数相　结合　的方　式，　在放　电　初期　和平　台区，　侧　重　于由电池组的参数估测的　ＳＯ　Ｃ　值，　而在　放电　接近末　期阶　段，　则　侧重于由单体电池的参数估测的　ＳＯＣ　值，　这样才　能更好地避　免　电池过放电，　延长电池组的使用寿命。

　　池的参数　相结合的　方式。　在放　电初　期和　平台　区侧　重于　电池　组　的参数估测；　在放电接近末期阶段　，　当电池组中有　１　只单体电池　的　ＳＯＣ　为　０　时，　即认为电池组的　ＳＯＣ　为　０。　参考文献：

　　［　１］　Ｇ　Ｕ　Ｏ　Ｂｉｎｇ　ｋｕｎ　（　郭炳　火　）　，　ＬＩ　Ｘｉｎ　ｈａｉ　（　李新　海）　，　Ｙ　Ａ　ＮＧ　Ｓｏｎｇ　ｑｉｎｇ　昆　（　杨松青）　［　２］　化学电源　（　（　（　电池原理及制造技术　［　Ｍ　］　Ｃｈａｎｇｓｈａ（　长　沙）　：　Ｐｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｅｎｔ　ｒａｌ　Ｓｏｕｔ　ｈ　Ｕ　ｎｉｖｅｒｓ　ｉｔ　ｙ（　中南大学出版社）　，　２０００　Ｇ　Ｕ　Ｏ　Ｂｉｎｇ　ｋｕｎ（　郭炳　火昆）　，　ＸＵ　Ｈｕｉ（　徐徽）　，　ＷＡ　Ｎ　Ｇ　Ｘ　ｉａｎ　ｙｏｕ（　王　先　友）　，　ｅｔ　ａｌ　锂　离　子电　池［　Ｍ　］　Ｃｈａｎｇｓｈａ（　长沙　）　：　Ｐｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｅｎｔ　ｒａｌ　Ｓ　ｏｕｔ　ｈ　Ｕ　ｎ　ｉｖｅｒｓｉｔ　ｙ（　中南大学出版社）　，　２００２　［　３］　ＣＨＥＮ　Ｑ　ｉｎｇ　ｑｕａｎ（　陈清　泉）　，　ＳＵ　Ｎ　Ｆｅｎｇ　ｃｈｕｎ（　孙逢　春）　，　ＺＨＵ　Ｊｉａ　ｇｕａｎｇ（　祝嘉光）　［　４］　现　代电　动汽车　技术　［　Ｍ　］　Ｂｅｉｊｉｎｇ　（　北　京）　：　Ｂｅｉｊｉｎｇ　锂离　子　电池　充放　电　过　程的　研　究　［　Ｄ　］　Ｉｎｓｔ　ｉｔｕｔ　ｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｐｒｅｓｓ（　北京理工大学出版社）　，　２００２　ＨＵ　Ｇ　ｕａｎｇ　ｘｉａ　（　胡　广侠）　Ｓ　ｈａｎｇｈａｉ（　上海）　：　Ｓ　ｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔ　ｕｔｅ　ｏｆ　Ｍ　ｉｃｒｏｓｙｓｔ　ｅｍ　ａｎ　ｄ　Ｉｎｆ　ｏｒｍａｔ　ｉｏｎ　Ｔ　ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｃｈ　ｉｎｅｓｅ　Ａ　ｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（　中　国科学院　上海微系　统　与信息技术研究所）　，　２００２　［　５］　ＷＡ　ＮＧ　Ｚｈｉ　ｆ　ｕ　（　王　志福　）　，　ＰＥＮ　Ｇ　Ｌｉａｎ　ｙｕｎ　（　彭连　云）　，　ＳＵ　Ｎ　Ｆｅｎｇ　ｃｈｕｎ（　孙逢春）　，　ｅｔ　ａｌ　电动车用　锂离子动　力电池充　放电特性　［　Ｊ］　Ｂａｔ　ｔ　ｅｒｙ　Ｂｉｍｏｎｔ　ｈｌｙ（　电池）　，　２００３，　３３（　３）　：　１６７－　１６８

　　３　结论

　　ａ　锂　离子电池成组以后，　电池组的　充放电性能较单体　电池　有所下降；　ｂ　在成组使用锂离子电池时，　应当　充分考虑　由于单体电　池　的不一致性而产生的电池组总

锂离子电池组合前后的特性研究

容量下降和　ＳＯＣ　偏低等问题；　ｃ　在估测电池组的　ＳＯＣ　时，　应采用电池组的参数和单体电

　　收稿日期：　２００７－　０２－　２３

　　１本文由ｚｄｈｅ０３贡献

　　ｐｄｆ文档可能在ＷＡＰ端浏览体验不佳。建议您优先选择ＴＸＴ，或下载源文件到本机查看。

　　第　３７　卷　２００７　年

　　第　４期　８月

　　电　ＢＡ　Ｔ　Ｔ　ＥＲ　Ｙ

　　池　ＢＩＭ　ＯＮ　ＴＨＬ　Ｙ

　　Ｖｏｌ　３７，　Ｎ　ｏ　４　Ａ　ｕｇ　，　２００７

　　锂离子电池组合前后的特性研究

　　张华辉１，　齐铂金１　，　袁学庆２，　郑敏信１

　　（　１　北京航空航天大学机械　工程及自动化学院，　北京　１０００８３；　２　中国科学院沈阳自动化研究所，　辽宁　沈阳　１１００１６）

　　摘要：　为更好地使用锂离子电池组，　更精确地估算电池的　荷电状态　（　ＳＯＣ）　，　对　锂离子　电池组合　前后进　行了常　温　４　０　Ａ　充放　电、　常温　７　５　Ａ　放电、　２０　！　下　４　０　Ａ　放电以及　５５　！　下　４　０　Ａ　放电等实验测试。实验结果显示：　锂离子电池成组后的充放　电特性有所　下降，　电池组总容量下降为单体电池的　９０％　左右，　ＳＯＣ　偏低，　工　作电压　的下降　速率在放　电末期　急剧上　升，　可达　平台区的　５０　倍。对电池组的一致性进行了分析，　得出锂离　子电池　成组时应　充分考　虑单体　电池的　一致性；　在估　算　ＳＯＣ　时，　采用电池组参数和单体电池参数相结合的方式。　关键词：　锂离子电池；　中图分类号：　Ｔ　Ｍ　９１２　９　充放电特性；　一致性　文章编号：　１００１－　１５７９（　２００７）　０４－　０２９４－　０３　文献标识码：　Ａ

　　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｌｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｇｒｏｕｐｅｄ

　　ＺＨＡＮＧ　Ｈ　ｕａ　ｈｕｉ１　，　ＱＩ　Ｂｏ　ｊｉｎ１，　ＹＵＡＮ　Ｘｕｅ　ｑｉｎｇ　２，　ＺＨ　ＥＮＧ　Ｍ　ｉｎ　ｘｉｎ１

　　（　１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍ　ｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　＆　Ａ　ｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　Ｂｅｉｈａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　，　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　１０００８３，　Ｃｈｉｎａ；　２　Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｉ　ｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａ　ｕｔｏｍａｔｉｏｎ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａ　ｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　，　Ｓｈｅｎｙａｎｇ，　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１１００１６，　Ｃｈｉｎａ）

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｍａｋｅ　ｂｅｔｔｅｒ　ｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｅｓｔｉｍａｔｅ　ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ　ｏｆ　ｃｈａｒ　ｇｅ　（　ＳＯＣ）　ｍｏｒ　ｅ　ａｃｃｕｒａｔｅｌｙ，　ｓｏｍｅ

　　ｃｈａｒｇｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ｅｘ　ｐｅｒｉｍｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｂｅｆｏｒｅ　ａｎｄ　ａｆｔｅｒ　ｇｒｏｕｐｅｄ，　ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　４　０　Ａ　ｃｈａｒｇｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ａｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒ　ｅ，　７　５　Ａ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ａｔ　ｎｏｒｍａｌ　ｔｅｍｐｅｒ　ａｔｕｒｅ，　４　０　Ａ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ａｔ　－　２０　！　ａｎｄ　５５　！　ｗｅｒｅ　ｄｏｎｅ　Ｔ　ｈｅ　ｅｘｐｅｒ　ｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｈａｒｇ　ｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔ　ｉｃｓ　ｏ　ｆ　ｔ　ｈｅ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｄｅｓｃｅｎｄｅｄ　ａｆｔｅｒ　ｇ　ｒｏｕｐｅｄ，　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｈａｄ　ｌｏｗ　ｅｒ　ｔｏｔａｌ　ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ（　ａｂｏｕｔ　９０％　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇ　ｌｅ　ｃｅｌｌ）　，　ｌｏｗｅｒ　ＳＯＣ，　ｉｔｓ　ｗｏｒｋ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｅｓｃｅｎｄｅｄ　ｆａｓｔｅｒ　ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ　ａｔ　ｔｈｅ　ｅｎｄ　ｏｆ　ｉｔｓ　ｃｈａｒｇｅ　ｐｈａｓｅ　（　５０　ｔｉｍｅｓ　ｆａｓｔｅｒ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｉｎ　？ｆｌａｔ　ｒｏｏｆ＃　ｓｔａｇｅ）　Ｔ　ｈｅ　ｃｏ　ｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗ　ａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　Ｔ　ｈｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ａｃｃｏｕｎｔ　ｗｈｅｎ　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒ　ｉｅｓ　ｗｅｒｅ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｇｒ　ｏｕｐ　Ａｓ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ＳＯＣ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ，　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔ　ｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔ　ｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ

　　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　Ｌ　ｉ　ｉｏｎ　ｂａｔｔｅｒｙ；

　　ｃｈａｒｇｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒ　ｉｓｔｉｃｓ；

　　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｃｙ

　　锂离子电池因其端电压高、　比能　量大、　充放　电寿命长、　电　放　性能稳定、　自放电　率　低和　无污　染等　优点　［　１２］

　　，　得到　了广　泛的　应

　　１　锂离子电池成组前后的特性对比实验

　　电池组　Ａ　和　Ｂ　的组合方式如图　１　所示。

锂离子电池组合前后的特性研究

　　用。锂离子电池　的特　性，　一般　是指　锂离　子　单体　电池　的特　性，　如　不同电流下　的充　放电　特性、　同温　度下　的充　放电　特性　等　［　３－　４］　。　不　当电池组中的单体电池的特性完　全一致　时，　电　池组的　特性才　体　现出与单体　电池一　致的　或满　足一　定规　律的　特性　［　５］　。本　文作　者　以　ＩＭ　Ｒ４２１２０　锂离子电池（　１０　Ａｈ，　潍坊产）　作　为实　验对象，　对　单　体电池和电池　组进　行　实验，　以　找　到　两者　特　性的　相　似　点和　差　异　性。实验中所有电池均为新电池。　作者简介：

　　图１　Ｆｉｇ　１

　　电池组的连接方式

　　Ｔ　ｈｅ　ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ

　　张华辉（　１９７９－　）　，　女，　浙　江人，　北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士　生，　研究方向：　新型电源技术，　本文联系人；　齐铂金（　１９６３－　）　，　男，　湖　南人，　北京航空航天大学机械工程及自动化学院教授　，　博士生导师，　研究方向：　新型电源技术及应用；　袁学庆（　１９７０－　）　，　男，　辽　宁人，　中国科学院沈阳自动化研究所副研究员，　研究方向：　水下　机器人；　郑敏信（　１９７８－　）　，　男，　山　西人，　北京航空航天大学机械工程及自动化学院博士　生，　研究方向：　机电过程控制及自动化。　基金项目：　８６３　计划　电动汽车重大专项车用高性能蓄电池组及其管理模块子项目（　２００５ＡＡ　５０１５５０）　　　　第４期

　　张华辉，　等：　锂离子电池组合前后的特性研究

　　２９５

　　在实验　过　程　中，　监　测　各　单　体　电　池　的　端　电　压　和　荷　电　状　态　（　ＳＯＣ）　、　电池组的总　电压。　１　１　充电实验设计　采用先　恒流　后恒　压　的充　电模　式。恒　流　充电　的　电　流为　４　０　Ａ　，　并控制串联电池组中单　体电池　的最高端　电压为　４　２　Ｖ，　即　当　电池组中单体电池的　最高　端电　压达到　恒压　点（　４　２　Ｖ　）　时，　转　入　恒压充电阶段。当充电电流小于　０　４　Ａ　时，　充电停止。　１　２　放电实验设计　根据中国科学　院沈　阳　自动　化研　究所　的水　下机　器人　备用　电　源的使用要求，　采用　４　０　Ａ　和　７　５　Ａ　恒流放电，　当单体电池的最　低端电压低于　３　０　Ｖ　时，　停止放电。　　　　从图　３　可见：　电池在恒流　放电条　件下的　工作电　压变化　可分　为　３　个阶段：　？　放电初期，　电压下　降较快；　％　之后放　电曲线　逐渐　趋于平缓，　进入　平台区　。这一阶段持续的时间与电　压值、　环境　温度、　放电倍率、　电池的质量和寿命等有关；　＆　放电末期，　曲线有　呈直线下降的趋势。电　池组　Ｂ　在放　电初　期和　末期　都有　较大　的　下降速率，　在高、　低温（　５５　！　和－　２０　！　）　放电时尤其明显。　表　１　是在常温下单体电池和电池组　４　０　Ａ　放电的电压下降　速率随　ＳＯＣ　的变化情况。　表　１　单体　电池和电池组　４　０　Ａ　放电的电压下降速率与　ＳＯＣ　的　关系　Ｔａｂｌｅ　１　Ｔ　ｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗ　ｅｅｎ　ｔｈｅ　ＳＯＣ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｅｓｃｅｎｄｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇ　ｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗ　ｉｔｈ　４　０　Ａ

　　Ｓ　ＯＣ／　％　１００　９０　８０　７０　６０　５０　４０　３０　２０　１０　０　电压下降速率／　Ｖ？ｈ－　１　单体电池　３　６４　０　１７　０　１２　０　２９　０　１２　０　１０　０　１２　０　１７　０　２８　０　３４　５　００　电池组　Ａ　４　７８　１　７８　０　１７　０　１８　０　１８　０　１８　０　１８　０　１８　０　１８　３　７５　１２　６０　电池组　Ｂ　５　５３　２　７０　０　９０　１　８０　１　８０　０　９０　１　８０　２　７０　３　６０　６　３０　１６　２０

　　２　结果与讨论

　　２　１　充电性能　在常温　下，　单体电池和电池组以　４　０　Ａ　充电的曲　线，　如　图　２　所示。

　　图　２　单体电池和电池组　的　４　０　Ａ　充电曲线　Ｆ　ｉｇ　２　Ｔ　ｈｅ　ｃｈａｒｇｅ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ｗ　ｉｔｈ　４　０Ａ　由图　２　可知：　单体电池和　电池组的　电压在　充电初　期均有　较　大上升，　之后趋向平缓。电池组　Ｂ　的端　电压在　整个充　电过程　中　均具有较大　的上升率，　在　充电　末期　表现　尤　为明　显，　说明　单体　电　池成组后，　充电性能有所变化。　２　２　放电性能　图　３　是单体电池和电池组的放电测试结果。

　　从表　１　可知：　单体电池和　电池组　在放电　初期和　末期的　电压　下降速率均较大，　其中电池组　Ｂ　的波动　最大。这说　明在电　池成　组之后，　由于单体　电池　的不　一致　性，　电池　组的　放电　性能　受到　了　影响，　尤其表现在放电初期和末期　。这使得　电池组的容量下降，　ＳＯＣ　偏低。　２　３　一致性评价　由于锂离子电池一般以串　联或

锂离子电池组合前后的特性研究

并　联方式　组合作为　动力源，　单体电池的一致性对电池组的使用十分关键　［　１的端电压随电池组　ＳＯＣ　的变化数据。　表２　Ｔａｂｌｅ　２　电池组　Ｂ　中　单体电池的端电压和电池组　ＳＯＣ　的关系　Ｔ　ｈｅ　ｒｅｌａｔ　ｉｏｎ　ｂｅｔｗ　ｅｅｎ　ｔｈｅ　ＳＯＣ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　ａｎｄ　ｔ　ｈｅ　ｅｎｄ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｅｌｌ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ　Ｂ

　　ＳＯＣ／　％　１００　９０　８０　７０　６０　５０　４０　３０　２０　１０　电池组中的单体电池的端电压／　Ｖ　１　４　２２　４　１９　４　１３　４　１０　４　０８　４　０２　３　９８　３　９４　３　８９　３　８１　３　４１　３　００　２　４　２８　４　２１　４　１３　４　１０　４　０８　４　０４　３　９９　３　９５　３　９１　３　８４　３　６６　３　６６　３　４　２８　４　２１　４　１３　４　１１　４　０９　４　０３　３　９８　３　９５　３　９１　３　８３　３　６６　３　６６　４　４　２９　４　２１　４　１３　４　０９　４　０９　４　０６　３　９８　３　９５　３　９１　３　８４　３　６８　３　６８　５　４　２７　４　２１　４　１３　４　１０　４　０９　４　０５　３　９８　３　９５　３　９２　３　８５　３　６５　３　６５　６　４　２６　４　１８　４　１３　４　１０　４　０８　４　０５　３　９９　３　９５　３　９２　３　８４　３　６１　３　６１　７　４　２７　４　２１　４　１３　４　１０　４　０８　４　０４　３　９８　３　９４　３　９０　３　８３　３　６１　３　６１

　　２］

　　。

　　表　２　是在常温下　４　０　Ａ　放电实验　中，　电池组　Ｂ　中单体　电池

　　图　３　不同温度下单体电池和电　池组的不同电流放电曲线　Ｆ　ｉｇ　３　Ｔ　ｈｅ　ｄｉｓｃｈａｒｇｅ　ｃｕｒ　ｖｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇ　ｌｅ　ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｂａｔｔｅｒ　ｉｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｓｃｈａｒｇ　ｅ　ｃｕｒｒ　ｅｎｔｓ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ

　　５　０

　　注：　表中数据为　２　只并联单体电池的平均值。

　　２９６

　　电　ＢＡ　Ｔ　Ｔ　ＥＲ　Ｙ

　　池　ＢＩＭ　ＯＮ　ＴＨＬ　Ｙ

　　第　３７　卷

　　由表　２　可见：　电池　组　Ｂ　中　单　体　电池　在　放电　初　期　以及　放　电　平台区　端电压的差　异较小，　具有　良好的　一致性。接　近放电　末　期，　尤其当电池组的　ＳＯＣ　小于　２０％　时，　单体电　池的端　电压开　始　发散，　一致性变坏；　当　ＳＯＣ　降到　１０％　以下时，　这种　发散程度更为　严重。这说　明锂离子电池在深放　电条件　下的一　致性变差，　电　池　组中某只或几只单体　电池　的端　电压　已经　下降　到放　电允　许的　最　低电压（　在本实验中规定为　３　００　Ｖ　）　，　而其他电池　的端电压还　远　远高于这个电　压。此　时，　若按　电池　组的　参数　估测　ＳＯＣ，　电池　组　还能继续放电，　而实际上，　该电池组已经不允许再放电了。　综上所述，　在电池组　的　ＳＯＣ　估测中，　应　采用　电池组　的参　数　和单体电池　的参数相　结合　的方　式，　在放　电　初期　和平　台区，　侧　重　于由电池组的参数估测的　ＳＯ　Ｃ　值，　而在　放电　接近末　期阶　段，　则　侧重于由单体电池的参数估测的　ＳＯＣ　值，　这样才　能更好地避　免　电池过放电，　延长电池组的使用寿命。

　　池的参数　相结合的　方式。　在放　电初　期和　平台　区侧　重于　电池　组　的参数估测；　在放电接近末期阶段　，　当电池组中有　１　只单体电池　的　ＳＯＣ　为　０　时，　即认为电池组的　ＳＯＣ　为　０。　参考文献：

　　［　１］　Ｇ　Ｕ　Ｏ　Ｂｉｎｇ　ｋｕｎ　（　郭炳　火　）　，　ＬＩ　Ｘｉｎ　ｈａｉ　（　李新　海）　，　Ｙ　Ａ　ＮＧ　Ｓｏｎｇ　ｑｉｎｇ　昆　（　杨松青）　［　２］　化学电源　（　（　（　电池原理及制造技术　［　Ｍ　］　Ｃｈａｎｇｓｈａ（　长　沙）　：　Ｐｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｅｎｔ　ｒａｌ　Ｓｏｕｔ　ｈ　Ｕ　ｎｉｖｅｒｓ　ｉｔ　ｙ（　中南大学出版社）　，　２０００　Ｇ　Ｕ　Ｏ　Ｂｉｎｇ　ｋｕｎ（　郭炳　火昆）　，　ＸＵ　Ｈｕｉ（　徐徽）　，　ＷＡ　Ｎ　Ｇ　Ｘ　ｉａｎ　ｙｏｕ（　王　先　友）　，　ｅｔ　ａｌ　锂　离　子电　池［　Ｍ　］　Ｃｈａｎｇｓｈａ（　长沙　）　：　Ｐｒｅｓｓ　ｏｆ　Ｃｅｎｔ　ｒａｌ　Ｓ　ｏｕｔ　ｈ　Ｕ　ｎ　ｉｖｅｒｓｉｔ　ｙ（　中南大学出版社）　，　２００２　［　３］　ＣＨＥＮ　Ｑ　ｉｎｇ　ｑｕａｎ（　陈清　泉）　，　ＳＵ　Ｎ　Ｆｅｎｇ　ｃｈｕｎ（　孙逢　春）　，　ＺＨＵ　Ｊｉａ　ｇｕａｎｇ（　祝嘉光）　［　４］　现　代电　动汽车　技术　［　Ｍ　］　Ｂｅｉｊｉｎｇ　（　北　京）　：　Ｂｅｉｊｉｎｇ　锂离　子　电池　充放　电　过　程的　研　究　［　Ｄ　］　Ｉｎｓｔ　ｉｔｕｔ　ｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｐｒｅｓｓ（　北京理工大学出版社）　，　２００２　ＨＵ　Ｇ　ｕａｎｇ　ｘｉａ　（　胡　广侠）　Ｓ　ｈａｎｇｈａｉ（　上海）　：　Ｓ　ｈａｎｇｈａｉ　Ｉｎｓｔｉｔ　ｕｔｅ　ｏｆ　Ｍ　ｉｃｒｏｓｙｓｔ　ｅｍ　ａｎ　ｄ　Ｉｎｆ　ｏｒｍａｔ　ｉｏｎ　Ｔ　ｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｃｈ　ｉｎｅｓｅ　Ａ　ｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ（　中　国科学院　上海微系　统　与信息技术研究所）　，　２００２　［　５］　ＷＡ　ＮＧ　Ｚｈｉ　ｆ　ｕ　（　王　志福　）　，　ＰＥＮ　Ｇ　Ｌｉａｎ　ｙｕｎ　（　彭连　云）　，　ＳＵ　Ｎ　Ｆｅｎｇ　ｃｈｕｎ（　孙逢春）　，　ｅｔ　ａｌ　电动车用　锂离子动　力电池充　放电特性　［　Ｊ］　Ｂａｔ　ｔ　ｅｒｙ　Ｂｉｍｏｎｔ　ｈｌｙ（　电池）　，　２００３，　３３（　３）　：　１６７－　１６８

锂离子电池组合前后的特性研究

　　３　结论

　　ａ　锂　离子电池成组以后，　电池组的　充放电性能较单体　电池　有所下降；　ｂ　在成组使用锂离子电池时，　应当　充分考虑　由于单体电　池　的不一致性而产生的电池组总容量下降和　ＳＯＣ　偏低等问题；　ｃ　在估测电池组的　ＳＯＣ　时，　应采用电池组的参数和单体电

　　收稿日期：　２００７－　０２－　２３

１

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wwyj.html