航空用动力锂电池组工作特征的研究(3)

2.5 锂电池组特性不一致性分析

在实际应用中,锂电池由于制作工艺不同,常常出现单体电池的不一致性,随着使用时间的不断延长,这种差异会逐渐增大,主要体现在同一规格型号的单体锂电池在串联成电池组后,各单个锂电池的电压、电荷量、容量、自放电率、寿命等参数的差异。造成这一现象的原因有内因和外因,几乎是不可避免的问题。内因是在制作过程中因配料、涂膜、装配等过程中由于选用了不同的材料,造成电池在物理容量、内阻等性能参数方面的差异。外因则是电池在使用时,受温度、通风条件、自放电率、电解液密度等因素影响,在不断充放电过程中,电池组管理系统的不同保护芯片存在的热差异,使单个电池的额定容量、内阻、电压等参数逐渐产生不一致。同时,电池组的过充和过放电也会使电池组中的单个电池之间的不一致性进一步扩大,如过充电使电池内的水被电解析气,升高电解液浓度、使极板硫化,使电池的导致电荷量和可接受充电电流下降,而过放电则会使电池极板硫化,出现电荷量下降甚至反极等问题。在实验过程中,锂电池组在放电初期和末期都出现了单体的放电速率出现明显差异的现象,在放电中期,这种差异相对较小,但依然存在。由于锂电池的过度放电状态会对其造成永久性损坏,因此这种电池组内单个电池的放电速率不一致性必然造成对电池组寿命的严重影响。

PID控制锂电池组的均衡,对电池能量进行均衡控制,是目前解决锂电池组单个电池之间特性不一致性的较好方法。利用一个均衡器连接两个锂电池,即可通过与PID结合对电池进行能量均衡优化处理。在PID控制中,采用的控制形式以及参数结果,对于控制效果会产生直接影响。其中积分平方误差(ISE)、时间绝对误差(ITAE)、积分绝对值误差(IAE)等三个指标是主要的控制优化指标。

鉴于锂电池组的串联充电控制不能采用PID控制器进行有效控制,因此采用IWD算法进行优化。该算法将电压控制在4.1 V,以此方式达到电均衡的有效控制目的。就控制的精度而言,电压拟合效果较之对比算法更为优化。由于充电曲线更能体现锂电池组的电流控制状态,因此在初始节点时电流数值较大,随着时间的不断延长,均衡控制的效果越来越明显,可以使电路中段的电流无限接近0,从而克服PID控制精度不高的问题,提升锂电池的使用性能。就实验中锂电池组的表现来看,采用锂电池的均衡充电控制取得的效果较好。

3 结语

锂电池在性能方面的优势,使其在航空领域的应用价值不断提升,其应用前景在不断完善其性能的基础上必将更加广阔。本文针对航空用动力锂电池组的工作特征展开研究,通过构建一种航空锂电池组等效模型和输出电压跟踪方法,通过实验就简化后的电化学模型进行有效模拟,将航空锂电池组过放电过程中的电池特性进行了分析研究,从中了解到了相关设备工作状态及电流输出时的有效表征,为航空动力锂电池组在航空安全保障方面以及锂电池组的广泛应用方面提供了更多数据参考。

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文章来源：《航空学报》 网址: http://www.hkxbzz.cn/qikandaodu/2021/0619/1412.html