動力電池組特性分析與均衡管理

前言

被認(rèn)為是未來汽車的電動汽車是電動源、電機(jī)和整車三大技術(shù)的結(jié)合體，電動源是電動汽車的核心部件，目前已經(jīng)形成動力鋰離子電池及其專用材料的開發(fā)熱潮。做為一種新型的動力技術(shù)，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達(dá)到使用電壓的需要，單體性能上的參差不齊并不全是緣于電池的生產(chǎn)技術(shù)問題，從涂膜開始到成品要經(jīng)過多道工序，即使每道工序都經(jīng)過嚴(yán)格的檢測程序，使每只電池的電壓、內(nèi)阻、容量一致，使用一段時間以后，也會產(chǎn)生差異，使得鋰動力電池的使用技術(shù)問題迫在眉睫，而且必須盡快解決。

動力電池組的使用壽命受多種因素影響，如果電池組壽命低于單體平均壽命的一半以下，可以推斷都是由于使用技術(shù)不當(dāng)造成的，首要原因當(dāng)推過充和過放導(dǎo)致單體電池提前失效。本文結(jié)合鋰動力電池特性、電子電源、計算機(jī)控制技術(shù)研究動力電池組的使用技術(shù)，探討動力電池組的均衡控制和管理。

1 動力電池主要性能參數(shù)

1.1 電壓

開路電壓=電動勢+電極過電位，工作電壓=開路電壓+電流在電池內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生的電壓降。電動勢由電極和電解質(zhì)材料特性決定，電極的過電位與材料活性、荷電狀態(tài)和工況有關(guān)。金屬鋰標(biāo)準(zhǔn)電極電位-3。05V，3V鋰電池3。3~2。3V，4V鋰4。2~3。7V，5V鋰4。9V~3。0V

1.2 內(nèi)阻

電池在短時間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個電壓源，其內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻，內(nèi)阻大小決定了電池的使用效率。電池內(nèi)阻包括歐姆電阻和極化電阻兩部分，歐姆電阻不隨激勵信號頻率變化，又稱交流電阻，在同一充放電周期內(nèi)，歐姆電阻除溫升影響外變化很小。極化電阻由電池電化學(xué)特性對外部充放電表現(xiàn)出的抵抗反應(yīng)產(chǎn)生，與電池荷電、充放強(qiáng)度、材料活性都有關(guān)。同批電池，內(nèi)阻過大或過小者都不正常，內(nèi)阻過小可能意味材料枝晶生長和微短路，內(nèi)阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減，內(nèi)阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據(jù)之一。

1.3 溫升

電池溫升定義為電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的差值。多數(shù)鋰電池充電時屬吸熱反應(yīng)，放電時為放熱反應(yīng)，兩者都包含內(nèi)阻熱耗。充電初期，極化電阻最小，吸熱反應(yīng)處于主導(dǎo)地位，電池溫升可能出現(xiàn)負(fù)值，充電后期，阻抗增大，釋熱多于吸熱，溫升增加，過充時，隨不可逆反應(yīng)的出現(xiàn)，逸出氣體，內(nèi)壓、溫升升高，直到變形、爆裂。

1.4 內(nèi)壓

電池內(nèi)部壓力，由于電池內(nèi)部反應(yīng)逸出氣體導(dǎo)致氣壓增大，氣壓過大將撐破殼體和發(fā)生爆裂，基于安全考慮，一方面鋰電池都設(shè)計了單向的防爆閥門，一方面用塑殼制造。析氣反應(yīng)常伴隨著不可逆反應(yīng)，也就意味著活性物質(zhì)的損失、電池容量的下降，無析氣、小溫升充放電是最理想的

1.5 電量

電學(xué)里，電量用Wh表示，是能量單位，一度電等于1kWh，電池常用Ah計算電量，對于動力電池側(cè)重于功率和能量大小，用Wh更直接一些，因為電池的電壓是變化的，其全程變化量可達(dá)到極大值的一半左右，用Ah計算電量不能正確描述電池的動力驅(qū)動能力，但Ah作為電池的電量單位自有其歷史和道理，在不引起歧義的地方兩種電量單位都可以使用

1.6 荷電

電池還有多少電量，又稱剩余電量，常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值，稱荷電程度。是人們在使用中最關(guān)心的、也是最不易獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)，人們試圖通過測量內(nèi)阻、電壓電流的變化等推算荷電量，做了許多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到統(tǒng)計數(shù)據(jù)的有效支持，指示的荷電程度總是非線性變化

1.7 容量

電池在充足電以后，開始放電直到放空電為止，能輸出的最大電量。容量與放電電流大小有關(guān)，與充放電截止電壓也有關(guān)系，故容量定義為小時率容量，動力電池常用1小時率(1C)或2小時率(0。5C)容量。電池在化成之前材料的活性不能正常發(fā)揮，容量很小，化成過程開始后，電池進(jìn)入其生命期，在整個生命期里，電池的活化和劣化過程是一個問題的兩個方面，初期活化作用處于主導(dǎo)地位，電池容量逐漸上升，以后，活化和劣化作用都不明顯或相當(dāng)，后期，劣化作用顯著，容量衰減，規(guī)定容量衰減到一定比例(60%)后，電池壽命終結(jié)。

1.8 功率

電學(xué)定義直流電源的輸出功率等于輸出電壓與電流的乘積，鋰電池單體電壓高，在相同的輸出電流下，其功率分別是鉛酸、鎳鎘鎳氫的1。8倍和3倍。電動汽車用動力電池組的負(fù)載是電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)車速變化調(diào)整輸出功率，短時間來看，電池組驅(qū)動的是恒功率負(fù)載，這個功率變化的范圍極大，制動時有與加速時相近的反向逆變功率。

1.9 效率

電池的效率指電池的充放電效率或能量輸出效率，本文指后者。對于電動汽車，續(xù)駛里程是最重要指標(biāo)之一，在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下，根據(jù)能量守恒定律，電池組輸出的能量轉(zhuǎn)化為兩部分，一部分作為熱耗散失在電阻上，另一部分提供給電機(jī)控制器轉(zhuǎn)化為有效動力，兩部分能量的比率取決于電池組輸出阻抗和電機(jī)控制器的等效輸入阻抗之比，電池組的阻抗越小，無用的熱耗就越小，輸出效率就更大。

1.10 壽命

單體電池壽命定義和測試程序已被人們普遍接受并形成許多標(biāo)準(zhǔn)，測試壽命時，可保證不過充、過放，也就不會提前失效，與單體不同，電池組的壽命測試目前的做法不科學(xué)，在一定程度上限制了動力鋰電池的實用化進(jìn)程。提供者強(qiáng)調(diào)每只電池的電壓不可超越規(guī)定的限值，電池組的壽命應(yīng)該是各單體電池壽命的最小者，其值應(yīng)該與單體平均壽命相差不會太多，測試人員模擬電池組使用情況，用對單體電池相同的方法測試壽命，電壓限值取單體電壓限值與數(shù)量乘積，實際限制的是單體平均電壓，組內(nèi)單體電壓有低有高，對于幾十只、上百只的電池組，電壓、容量、內(nèi)阻的差異性總是客觀存在的，過充過放無法避免，并且一旦發(fā)生相關(guān)電池將很快報廢，因此就出現(xiàn)專家組測試的電動汽車動力電池組的壽命還沒有突破過百次。

1.11 安全

動力電池的工作條件苛刻，主要的安全問題是電池自身爆炸、燃燒和導(dǎo)致的電火，在電動汽車研發(fā)進(jìn)程中，發(fā)生過多次起火事件，對電動汽車的發(fā)展造成了負(fù)面影響，通過多種渠道了解，在這些事故中，有電池自燃的，有車輛被燒毀的，甚至動用消防隊滅火，許多單位顧忌影響而施行保密策略，事發(fā)第一現(xiàn)場很難到場，總結(jié)這些不完全的事故信息，初步有以下推斷:

長期在庫存的電池未發(fā)生過自燃和爆炸，運輸過程中也沒出現(xiàn)自燃的;

電池爆炸發(fā)生于充電后期或已經(jīng)結(jié)束，充電設(shè)備和方法難脫干系;

外部電路短路可以造成強(qiáng)電弧或使導(dǎo)線燃燒，也可以導(dǎo)致自燃，一般的電壓、電流源都有此特性;

用組電壓或電流限制不能避免電池的過充過放;

過充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸，過放電(反充電)一次足以使電池報廢;

一些受試電池通過了苛刻的用沖鋒槍射擊、擠壓破裂短路、水淋、水泡等安規(guī)測試?？傊姵氐恼_使用技術(shù)是非常重要的。