航天用锂离子电池健康状况监测     DATE: 2020-07-03 04:47

为了降低航天器的发射重量,商业卫星等航天设备已经普遍采用锂离子电池作为储能电池。航天用锂离子电池工作状况与常规的锂离子电池的工况具有较大的不同,通常在阴影期进行小深度的放电,放电电流基本维持不变。目前对于常规工况下的锂离子电池SOH状态预测已经有了较多的研究,但是对于航天用锂离子电池的SoH预测的研究还比较少。

近日,哈尔滨工业大学的JieYang(第一作者)和Geping Yin(通讯作者),以及上海空间电源研究院的JingyingXie(通讯作者)等针对空间用锂离子电池的使用工况,提出了一种基于放电曲线的判断锂离子电池健康状态的方法。

实验中作者采用了容量为1.15Ah的方形电池,其材料体系为LCO/MCMB,其尺寸为47.8mm×50.8mm×4.7mm。实验前作者首先采用新威尔的充放电设备测试了电池的容量(3.0-4.2V,0.6C),并取前三次的平均容量作为电池的初始容量。

为了模拟锂离子电池在航天器上的工作状态,作者分别采用0.6C、1.2C和1.5C倍率,按照30%DOD、50%DOD和80%DOD放电深度对电池进行循环。此外作者还考察了不同温度(0, 10, 20, 30, 40和50 ℃)和不同倍率(0.25, 0.5, 1和 1.5 C)对循环寿命的影响,其中温度测试分别采用了0.5、1和1.5C电流,在倍率测试中分别采用了10、25和40℃温度。

我们知道随着循环次数的增加,锂离子电池会发生内阻增加和容量衰降,这会导致相同工况下电池的放电曲线在Y轴方向向下移动,因此我们可以通过分析放电曲线的下移距离判断电池的SoH状态。

下图为不同SOH状态的电池在30%DOD放电过程中的电压曲线,从图中能够看到随着SoH的降低,电池的放电曲线会向下移动,因此下图中绿色区域的面积也相应减少(绿色区域的面积可以采用下式1进行计算)

下图中蓝色曲线为根据上述方法得到的HI值,红色曲线为根据电池容量得到的SoH值,可以看到HI值的变化趋势与SoH值的变化趋势是基本一致的,因此用HI值来推断SoH值是可行的。

下图a-c为放电深度与Health Indicator(HI)之间的关系曲线,三只电池的SoH状态分别82.5%、83%和82.6%,三只电池都在80%DOD和25℃下进行循环,循环电流分别为0.6C、1.2C和1.5C。作者根据15%-70%DOD范围内的数据计算了电池的HI值,可以看到随着采用更大的放电深度数据,电池的HI值也呈现明显降低,两者之间呈现线性相关的关系(关系如下式所示)

下图为温度和电流对于HI值的影响,为了验证数据的相关性,作者在每个温度或者电流下分别选取了20%、50%和80%DOD的数据进行分析。从下图中能够看到HI值与电流之间呈现指数函数的关系,同样的HI值与温度之间也呈现指数函数的关系,两者的关系如下式所示。通过分析数据可以看到,在增大循环电流时电池的HI值呈现快速降低的趋势,进一步增大电流则数值会变得相对稳定,开始缓慢下降。在一定的温度范围内升高环境温度,电池的HI值首先呈上升趋势,随着电池的温度的进一步升高,电池的HI值则会变得稳定。

下图为电池的HI值在不同的放电深度和电流下随循环次数的变化,可以看到在所有的情况下随着循环次数的增加,电池的HI值都呈现衰降的趋势,且HI值与循环次数之间呈现线性相关的关系,这一特性使得我们可以根据电池的HI值对电池的剩余使用寿命进行预测,更为重要的是这一方法仅需要获得电压-时间这两个非常容易获取的参数,因此在实践中具有很高的应用价值。

下图为锂离子电池在不同的电流和放电深度下,电池的SoH值与HI值之间的关系,从图中能够看到在所有的情况下两者之间都呈现线性相关的关系,因此我们可以很简单的采用线性拟合的方式获得两者之间的关系。理论上对于同种锂离子电池,在同样的DOD、电流和温度下这一关系是固定的,因此可以采用HI值对SoH值进行预测。

根据上述的HI与SoH之间的关系,作者对电池在整个循环寿命期间的SoH之间的关系,其中红色的数据点是根据HI值得到的SoH值,蓝色点则是每100次循环测试得到的实际SoH值,从图中能够看到通过上述的经验公式得到的SoH值与电池实际的SoH值之间符合的非常好,整个寿命的周期内的平均误差仅为0.3%,最大误差约为4%,在绝大多数的范围内预测的误差值都小于3%,而造成误差的原因主要是测试过程中设备原因导致的温度波动,这表明采用该方法对电池的SoH状态进行预测具有较好的准确性。

长期以来对锂离子电池SoH的预测都是一项较为复杂的工作,Jie Yang针对航天应用中锂离子电池的工作状况较为固定,温度波动小的特点,开发了基于经验的寿命预测模型,在该模型中仅需要采用电池的放电电压曲线数据,既可以较为精准的对电池的SoH状态进行预测,具有较高的实用价值。

本文主要参考以下文献,文章仅用于对相关科学作品的介绍和评论,以及课堂教学和科学研究,不得作为商业用途。如有任何版权问题,请随时与我们联系。

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, JieYang, Chunyu Du, Wen Liu, Ting Wang, Liqin Yan, Yunzhi Gao, Xinqun Cheng, PengjianZuo, Yulin Ma, Geping Yin, JingyingXie