航天用鋰離子電池健康狀況監測

2020-08-20 新能源Leader

為了降低太空飛行器的發射重量，商業衛星等航天設備已經普遍採用鋰離子電池作為儲能電池。航天用鋰離子電池工作狀況與常規的鋰離子電池的工況具有較大的不同，通常在陰影期進行小深度的放電，放電電流基本維持不變。目前對於常規工況下的鋰離子電池SOH狀態預測已經有了較多的研究，但是對於航天用鋰離子電池的SoH預測的研究還比較少。

近日，哈爾濱工業大學的Jie Yang（第一作者）和Geping Yin（通訊作者），以及上海空間電源研究院的Jingying Xie（通訊作者）等針對空間用鋰離子電池的使用工況，提出了一種基於放電曲線的判斷鋰離子電池健康狀態的方法。

實驗中作者採用了容量為1.15Ah的方形電池，其材料體系為LCO/MCMB，其尺寸為47.8mm×50.8mm×4.7mm。實驗前作者首先採用新威爾的充放電設備測試了電池的容量（3.0-4.2V，0.6C），並取前三次的平均容量作為電池的初始容量。

為了模擬鋰離子電池在太空飛行器上的工作狀態，作者分別採用0.6C、1.2C和1.5C倍率，按照30%DOD、50%DOD和80%DOD放電深度對電池進行循環。此外作者還考察了不同溫度（0, 10, 20, 30, 40和50 ℃）和不同倍率（0.25, 0.5, 1和 1.5 C）對循環壽命的影響，其中溫度測試分別採用了0.5、1和1.5C電流，在倍率測試中分別採用了10、25和40℃溫度。

我們知道隨著循環次數的增加，鋰離子電池會發生內阻增加和容量衰降，這會導致相同工況下電池的放電曲線在Y軸方向向下移動，因此我們可以通過分析放電曲線的下移距離判斷電池的SoH狀態。

下圖為不同SOH狀態的電池在30%DOD放電過程中的電壓曲線，從圖中能夠看到隨著SoH的降低，電池的放電曲線會向下移動，因此下圖中綠色區域的面積也相應減少（綠色區域的面積可以採用下式1進行計算）

因此我們可以根據綠色區域的面積變化，根據下式推斷鋰離子電池SoH狀態的變化

下圖中藍色曲線為根據上述方法得到的HI值，紅色曲線為根據電池容量得到的SoH值，可以看到HI值的變化趨勢與SoH值的變化趨勢是基本一致的，因此用HI值來推斷SoH值是可行的。

下圖a-c為放電深度與Health Indicator（HI）之間的關係曲線，三隻電池的SoH狀態分別82.5%、83%和82.6%，三隻電池都在80%DOD和25℃下進行循環，循環電流分別為0.6C、1.2C和1.5C。作者根據15%-70%DOD範圍內的數據計算了電池的HI值，可以看到隨著採用更大的放電深度數據，電池的HI值也呈現明顯降低，兩者之間呈現線性相關的關係（關係如下式所示）

下圖為溫度和電流對於HI值的影響，為了驗證數據的相關性，作者在每個溫度或者電流下分別選取了20%、50%和80%DOD的數據進行分析。從下圖中能夠看到HI值與電流之間呈現指數函數的關係，同樣的HI值與溫度之間也呈現指數函數的關係，兩者的關係如下式所示。通過分析數據可以看到，在增大循環電流時電池的HI值呈現快速降低的趨勢，進一步增大電流則數值會變得相對穩定，開始緩慢下降。在一定的溫度範圍內升高環境溫度，電池的HI值首先呈上升趨勢，隨著電池的溫度的進一步升高，電池的HI值則會變得穩定。。

下圖為電池的HI值在不同的放電深度和電流下隨循環次數的變化，可以看到在所有的情況下隨著循環次數的增加，電池的HI值都呈現衰降的趨勢，且HI值與循環次數之間呈現線性相關的關係，這一特性使得我們可以根據電池的HI值對電池的剩餘使用壽命進行預測，更為重要的是這一方法僅需要獲得電壓-時間這兩個非常容易獲取的參數，因此在實踐中具有很高的應用價值。

下圖為鋰離子電池在不同的電流和放電深度下，電池的SoH值與HI值之間的關係，從圖中能夠看到在所有的情況下兩者之間都呈現線性相關的關係，因此我們可以很簡單的採用線性擬合的方式獲得兩者之間的關係。理論上對於同種鋰離子電池，在同樣的DOD、電流和溫度下這一關係是固定的，因此可以採用HI值對SoH值進行預測。

根據上述的HI與SoH之間的關係，作者對電池在整個循環壽命期間的SoH之間的關係，其中紅色的數據點是根據HI值得到的SoH值，藍色點則是每100次循環測試得到的實際SoH值，從圖中能夠看到通過上述的經驗公式得到的SoH值與電池實際的SoH值之間符合的非常好，整個壽命的周期內的平均誤差僅為0.3%，最大誤差約為4%，在絕大多數的範圍內預測的誤差值都小於3%，而造成誤差的原因主要是測試過程中設備原因導致的溫度波動，這表明採用該方法對電池的SoH狀態進行預測具有較好的準確性。

長期以來對鋰離子電池SoH的預測都是一項較為複雜的工作，Jie Yang針對航天應用中鋰離子電池的工作狀況較為固定，溫度波動小的特點，開發了基於經驗的壽命預測模型，在該模型中僅需要採用電池的放電電壓曲線數據，既可以較為精準的對電池的SoH狀態進行預測，具有較高的實用價值。

本文主要參考以下文獻，文章僅用於對相關科學作品的介紹和評論，以及課堂教學和科學研究，不得作為商業用途。如有任何版權問題，請隨時與我們聯繫。

State-of-health estimation for satellite batteries based on the actual T operating parameters – Health indicator extraction from the discharge curves and state estimation, Journal of Energy Storage 31 (2020) 101490, Jie Yang, Chunyu Du, Wen Liu, Ting Wang, Liqin Yan, Yunzhi Gao, Xinqun Cheng, Pengjian Zuo, Yulin Ma, Geping Yin, Jingying Xie

文/憑欄眺

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