基于电芯替换的电动汽车动力电池组维护方法

锂电池凭借其能量密度高、体积密度高、工作电压高、无记忆效应、自放电低且无污染等优点，成为电动汽车动力源的最佳选择。为满足电动汽车功率驱动需求，一般需要将锂电池电芯串联使用以提高电压等级。

串联电池组存在循环使用寿命达不到设计寿命的问题，一方面是在串联电池组的实际应用中，个别电芯的衰减速率明显快于其他电芯，从而影响该电芯所在电池组的性能;另一方面是各电芯的充/放电特性不一致，电芯的充/放电特性差异会造成充/放电时电量的不平衡，从而对过充电或过放电的电池造成损害，影响整个电池组的使用寿命。

运营数据表明，采用传统充电方式，锂电池组(80V 60Ah磷酸铁锂电池组)充/放电近500多次循环后，实际可用容量降为原来的80%左右，而且随着充电次数的增加，实际可用容量还将进一步下降。

显然，如何维持动力电池组的可用容量和延长使用寿命是目前急需解决的重要问题。此外，某些电池组在使用过程中循环寿命严重低于正常值。以下分析某电动汽车动力电池组可用容量骤然下降的现象，指出“短板电芯”是导致可用容量下降的原因之一，提出用电芯替换方法来提高串联电芯的一致性水平。

试验结果表明使用该方法可使某性能异常的磷酸铁锂电池组(80V 60Ah)实测循环寿命从158次提高至629次，提高了成组动力电池组的实际可用容量和循环使用寿命。

1.某动力电池组循环寿命测试分析

1.1 动力电池组循环寿命测试方案

动力电池组主要由24节磷酸铁锂电池电芯、电池管理系统以及电连接器等组成。每节磷酸铁锂电芯参数为3.2V60Ah。

使用循环充放电测试仪对动力电池组进行循环寿命测试，试验方法和步骤如下：

(1)20℃下静置10min，以87.6V电压30A电流恒流充电，然后恒压充电至电流为3A时，充电停止;保护电压3.7V，当电芯电压超过3.7V时充电立即停止;

(2)静置10min，5A电流恒流放电至2.8V;

(3)重复步骤(1)-(2)，循环至初始容量的80%左右，统计循环寿命。

记录的过程数据包含：时间、端电压、电流、温度、充放电容量、压差、24 节电芯各自的电压。

1.2 动力电池组循环寿命测试结果

电池的循环使用寿命是评价电池性能的一项重要指标，指以电池充电和放电1次为1个循环，按照一定测试标准，当电池容量(一般为放电容量)降到某一规定值(一般规定为初始容量的80%)以前，电池经历的充/放电循环总次数。

根据以上测试方案，电池组的初始容量为60Ah，当电池组循环过程中低于48Ah时，停止测试，统计循环次数为159次。

循环寿命测试曲线如图1所示。电动汽车动力电池组循环寿命159次后，放电容量已经下降到47.9Ah，首次跌破48Ah(初始容量的80%)，所以此动力电池组的循环寿命为158次，此循环寿命远低于平均次数，判断此电池组为异常电池组。

2.动力电池组循环寿命短板效应分析

2.1 短板效应

短板效应又称木桶原理，即一个水桶无论有多高，它盛水的高度取决于其中最短的那块木板，要想提高木桶的容量，就应该设法加高最短的那块木板的高度，这是最有效也是惟一的途径。该原理形象地描述了怎样确定一个整体的实力以及怎样提高整体实力的问题，已广泛应用在企业管理、人力资源和经济管理等方面。

在串联电池组的实际应用中，由于电芯的不一致性，为了保证电芯不过充或过放，对每个电芯设置了统一的充电及放电保护电压。所以当某个电芯电压达到了保护电压时，动力电池组即停止充电或放电过程。

2.2 动力电池组循环寿命衰减研究

动力电池组循环充/放电过程中，对之前159次充电过程中最早达到充电保护上限电压的电芯进行统计，统计结果如图2所示。

动力电池组在做循环寿命测试中，24节电芯中的第2，5，10，17，23节到达充电保护上限电压的次数分别为7，10，240，11，8次，第10节到达充电保护上限电压的次数占总次数的86.16%。

根据“短板效应”分析，24节电芯中的第10节是电动汽车动力电池组循环寿命缩短的主要原因，将这样的电芯称为“短板电芯”。通过更换“短板电芯”，提高电芯一致性，有望提升动力电池组的可用容量。

3.电芯替换技术

电芯替换技术主要解决电池组在电芯替换时，替换的电芯与原电池组的匹配问题，匹配性的好坏直接决定了替换后电池组的使用寿命。

3.1 电池配组系统

电池配组系统的工作流程如下：

(1)用于替换的电芯(可以是新电芯也可以是旧电芯)，通过电芯性能测试系统，获得该电池的开路电压、容量、充/放电曲线等信息，并录入到电芯模型库中，该模型库中存有所有拟用于替换的电芯信息;

(2)待配组的电池组通过电池组性能检测系统，获得电池组内所有电芯的开路电压、容量、充/放电曲线等信息，准确挑出需要更换的“短板电芯”，同时根据该箱电池中其他电芯的真实性能和容量整体评估的结果，给出需要进行匹配的电芯需求信息;

(3)通过电芯的开路电压、容量、充/放电曲线的比对，在电芯模型库中，找出匹配度较好的电芯，测试通过则替换过程完成。

3.2 电池组性能检测

电池组性能检测系统主要是有2个功能：通过对电池组内所有电芯的开路电压、容量、充/放电曲线等信息查询，准确挑出需要更换的“短板电芯”;验证重新装配后的电池组是否匹配良好。

检测系统构成的便捷式设备主要由程控充电机、程控负载、无线采集系统、总控制器组成。电池组性能检测设备原理如图3所示。系统通过对电池组中BMS(电池管理系统)的通信获得电芯信息。

以替换前后动力电池组为例，电池组性能检测系统开启，对电池组各单体电芯到达放电截止电压点时(截止电压2.8V)电压、压差(放电截止时单体电压最高值和最低值差)、充/放电容量等信息进行检测。替换前电池组放电截止时所有单体电芯的电压信息见表1。

检测数据表明，第10节电芯的充电容量为51.54Ah，放电容量为52.34Ah，初始放电容量为60Ah，充/放电值均比整组低，放电时尤为明显，放电值略低0.05V左右，说明充电和放电容量都不足，此时整组电池容量为初始容量的87.23%，第10节单体放电时最先到达放电截止电压，且压差为0.344V，不符合压差不超过0.22V的规定，故第10节电芯属于短板电芯，此时的电池组需要维护。

将第10节电芯替换后，电池组放电截止时所有单体电芯的电压信息见表2。替换后电池组容量57.58Ah，压差0.213V。基于上述研究提出替换指标，即电池容量下降为初始容量的90%~92%，压差达到0.22V左右时，要对电池进行维护，参考值以容量值为主、压差值为辅。

4.电芯替换后循环寿命试验验

证重组匹配成功后，按照测试方案继续进行测试，结果如图4所示。

在电芯替换前，针对某一电池组的循环测试过程中，因其容量衰减速率较快，在其循环到277次，容量降至52.34Ah(约为初始容量的87%)。对其采用电芯替换措施后，其放电容量立刻得到提升，当循环次数为1062次，放电容量为47.99Ah(约为初始容量的80%)，表明电池组循环寿命为1061次，说明电芯替换方法能有效延长电池组寿命。

5.结语

电芯替换技术可以提高电芯的一致性，保持电池组的可用容量和延长循环使用寿命。尤其在部分电池组中存在“短板电芯”导致可用容量骤降及寿命缩短的情况下，维护效果更加显著。随着电动汽车的推广，基于电芯替换的电动汽车动力电池组维护技术，具有良好的经济性和广阔的应用前景。