連接片阻值對電動汽車用動力電池性能的影響

王麗梅，程 勇

(山東大學能源與動力工程學院, 濟南 250061)

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2015011

連接片阻值對電動汽車用動力電池性能的影響

王麗梅，程 勇

(山東大學能源與動力工程學院, 濟南 250061)

鑒于單體電池間連接片的阻值和極柱的位置影響單節(jié)電池的性能，基于Matlab/Simscape開發(fā)了單體電池模型，并利用此模型和以電阻模擬的連接片構(gòu)建了單節(jié)電池模型，仿真分析了連接片阻值對單節(jié)電池性能的影響。結(jié)果表明，連接片的存在使與極柱相連的單體電池最先達到電池管理系統(tǒng)設(shè)定的放電截止電壓，以致影響電池的性能；與極柱相連的單體電池的率先老化導(dǎo)致與其相鄰的單體電池出現(xiàn)過放電的現(xiàn)象，影響單節(jié)電池的安全性。最后，設(shè)定各單體電池SOC間最大偏差為0.05，對不同并聯(lián)電池數(shù)目的單節(jié)電池進行仿真，得出連接片與電池歐姆內(nèi)阻阻值的合理比例。

電動汽車； 連接片阻值; 電池仿真模型; 電池安全性

前言

電動汽車動力電池組一般由多個單節(jié)電池串聯(lián)而成，而單節(jié)電池又由多個單體電池通過連接片并聯(lián)組成。文獻[1]～文獻[3]中認為，單體電池間的差異導(dǎo)致電池成組后的使用性能遠遠低于單體電池原有水平。試驗發(fā)現(xiàn)，充放電過程中，單節(jié)電池內(nèi)部各單體電池端電壓間的差異。此差異遠遠超過單體電池參數(shù)不一致產(chǎn)生的差異，分析認為是連接片的存在導(dǎo)致了這一現(xiàn)象。

在動力電池的研究過程中，仿真技術(shù)扮演著重要角色。人們提出了電化學模型和等效電路模型等一系列電池簡化模型[4-7]。文獻[8]中指出，一階、二階RC等效電路模型計算簡單，參數(shù)提取方便，且仿真結(jié)果擁有足夠的精度。綜合考慮模型精度與計算復(fù)雜性，本文中選用了一階RC等效電路模型對單體電池進行建模，利用Matlab/Simscape平臺開發(fā)了相應(yīng)的電路模塊，建立了單體電池模型，并以此為基礎(chǔ)，利用電阻模擬連接片，建立了單節(jié)電池模型。依據(jù)建立的單節(jié)電池模型仿真分析了連接片阻值對單節(jié)電池使用性能及安全性能的影響。

1 電池模型的建立與驗證

1.1 單體電池模型的建立與驗證

電池的一階RC等效電路模型如圖1所示。

圖中Em為電池開路電壓，R0為電池的歐姆內(nèi)阻，R1為電池的極化內(nèi)阻，C1為電池的極化電容，它與R1構(gòu)成阻容回路，用于模擬電池的動態(tài)特性。I表示流過電池的總電流，V表示電池的端電壓。文獻[8]～文獻[10]中指出，Em、R0、R1、C1與電池SOC及溫度有關(guān)。文獻[11]中指出，隨著電池的老化，R0增加而R1基本不變。

一階RC等效電路模型中包括溫度模型、SOC估算模型、開路電壓模型、歐姆內(nèi)阻模型、極化內(nèi)阻和極化電容模型。其中開路電壓模型、歐姆內(nèi)阻模型、極化內(nèi)阻和極化電容模型基于查表的方式實現(xiàn)，溫度模型和SOC估算模型原理如下所述。

1.1.1 溫度模型

文獻[8]～文獻[10]中給出的溫度模型為

(1)

式中:CT為比熱容，J/(kg·K)；T為電池內(nèi)部溫度，K；Tamb為環(huán)境溫度，K；RT為對流換熱熱阻，W/(m2·K)；Qcell為電池內(nèi)部消耗能量，W；Mmass表示單節(jié)電池的質(zhì)量，kg；Acell表示單節(jié)電池的對流換熱面積，m2。

電池內(nèi)部能量消耗緣于電池歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，其計算公式為

(2)

式中:I1為流過極化內(nèi)阻R1的電流，A，電阻單位為Ω。

1.1.2 SOC估算模型

電池SOC的估算普遍采用安時積分法，其計算公式為

SOC=1-Qcon/C

(3)

式中:Qcon表示電池已消耗容量，A·h；C表示電池總?cè)萘浚珹·h，是電流I和溫度T的函數(shù)，同時也受循環(huán)次數(shù)的影響。

利用Simscape語言，基于一階RC電池模型，建立了單體電池模型。

分別在5、25和45℃下對8只3.65V、10A·h的單體電池進行恒流及脈動放電試驗。脈動放電電流信號參考實車采集的一個時間片段內(nèi)的電流信號變化規(guī)律制定，如圖2所示。

利用遞推最小二乘法在線提取不同試驗情況下的單體電池有關(guān)參數(shù)，建立用于描述不同工況下電池開路電壓、歐姆內(nèi)阻、極化內(nèi)阻和極化電容隨電池溫度、電流和SOC等參數(shù)間的關(guān)系表。在25℃下對所建的單體電池模型進行試驗驗證。圖3和圖4分別對比顯示了恒流和脈沖放電工況下的實測與仿真信號。由圖可見，仿真與實測的結(jié)果吻合，其最大誤差不超過1%，表明所建的單體電池模型有效，可用于仿真分析。

1.2 單節(jié)電池模型的建立

利用電阻模擬連接片，通過5節(jié)3.65V、10A·h單體電池并聯(lián)，建立了如圖5所示的3.65V，50A·h的單節(jié)電池模型。其中單體電池從左到右分別定義為1～5號。

2 連接片阻值對單體電池使用性能的影響

連接片一般采用銅鎳合金或銅網(wǎng)制成，利用不同材質(zhì)生產(chǎn)的連接片的阻值不同，低者只有1‰mΩ，高者可達幾mΩ[1]。

利用單節(jié)電池模型，仿真分析了恒流放電過程中，不同連接片阻值對各單體使用過程中單體電池端電壓及SOC差異的影響。

仿真用單體電池歐姆內(nèi)阻約為15mΩ，連接片阻值分別設(shè)定為0.75、0.3、0.15和0.075mΩ，放電電流為50A(1C)。仿真初始狀態(tài)單節(jié)電池SOC為0.75，結(jié)束條件為某一單體電池SOC降到0.05。

圖6和圖7分別顯示連接片阻值為0.3mΩ，極柱接在1號和3號單體電池上的仿真結(jié)果，其余阻值連接片的仿真結(jié)果與此類似。

對比圖6(a)和圖7(a)可見，放電結(jié)束時，不同單體電池間端電壓存在差異。與極柱直接連接的單體電池的端電壓最低；極柱處于中間位置，即與3號單體電池連接時，各單體電池的端電壓較接近。參見圖5可知，放電過程中，連接片阻值的存在使連接片上存在分壓，導(dǎo)致施加在單體電池兩端的電壓產(chǎn)生差異。實際應(yīng)用中，電池管理系統(tǒng)對單節(jié)電池端電壓進行監(jiān)測并控制放電截止電壓，其結(jié)果使遠離極柱的單體電池實際放出能量比與極柱直接相連的單體電池低，降低了單節(jié)電池的整體放電性能。

對比圖6(b)和圖7(b)可見，放電結(jié)束時，與極柱相連的單體電池SOC最低。表1列出了不同連接片阻值下，放電結(jié)束時各單體電池SOC值，表中標注的極柱連接單體電池號“1”表示極柱與1號單體電池相連，“3”表示極柱與3號單體電池相連。

表1 放電結(jié)束時各單體電池SOC

由表可見，當連接片阻值為0.75mΩ(電池歐姆內(nèi)阻的0.5%)時，單體電池SOC的最大值較單節(jié)電池SOC偏差達0.146，此偏差值遠遠超出了現(xiàn)有SOC估算誤差范圍0.05(5%)，而當連接片阻值為0.075mΩ時，此偏差只有0.005。因此降低連接片阻值有利于減小單體電池SOC與單節(jié)電池SOC偏差，提高單節(jié)電池的使用安全性。

為了保證各單體電池SOC間的一致性并與目前SOC約5%的估算精度相對應(yīng)，須對連接片阻值進行限定。當連接片連在3號單體電池上時，連接片阻值為0.3mΩ(電池歐姆內(nèi)阻的2%)，各單體電池SOC最大差異為0.034，可滿足要求；而當連接片連在1號單體電池上時，連接片阻值須降到0.075mΩ(電池歐姆內(nèi)阻的0.5%)，才能保證各單體電池間SOC差異小于0.05。因此，不同的連接方式，對連接片阻值的要求也不同。為了使各單體電池SOC偏差接近且在0.05內(nèi)，建議極柱盡量中心安置，且須根據(jù)電池歐姆內(nèi)阻阻值匹配連接片阻值。

3 連接片對單節(jié)電池安全性能的影響

電池管理系統(tǒng)應(yīng)對單節(jié)電池的電壓進行限制，避免出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象。單節(jié)電池放電截止電壓與放電電流和電池老化狀態(tài)有關(guān)，實際車輛運行過程中工況多變，較難設(shè)定。與極柱相連的單體電池長期處于深度充放電狀態(tài)，其老化速度將高于與之并聯(lián)的單體電池，這都將影響單節(jié)電池安全性，為此，對與極柱相連的單體電池處于不同老化狀態(tài)下的情況進行了仿真。

單體電池的老化主要表現(xiàn)為歐姆內(nèi)阻的增加及容量的降低，圖8顯示了試驗用單體電池常溫下電池容量和歐姆內(nèi)阻隨電池循環(huán)數(shù)的變化情況。由圖可見，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池歐姆內(nèi)阻及容量近似呈線性的變化規(guī)律，每100次循環(huán)單體電池歐姆內(nèi)阻增加約3.862%，電池容量衰減1.179%。

在文獻[12]道路工況試驗中，配有192V、100A·h電池組的某電動汽車大部分工況的放電電流低于180A。采用0.075mΩ的連接片對10節(jié)單體電池并聯(lián)組成的100A·h單節(jié)電池進行了仿真。仿真工況為與極柱相連的單體電池出現(xiàn)了不同程度的老化，而其他單體電池保持正常，仿真時放電電流為2C。

圖9給出了極柱連接到處于不同老化狀態(tài)下的1號單體電池時的仿真結(jié)果。圖中“0”表示100A·h單節(jié)電池，“n”表示單體電池n，n=1，…，10。從圖9(b)中可以看出，隨著1號單體電池老化程度的增加，各單體電池SOC間差異有所降低。老化后的1號單體電池歐姆內(nèi)阻增加，導(dǎo)致2號單體電池放電電流增大，SOC下降速度加快。由圖9(b)還可以看出，當循環(huán)次數(shù)約為500時(由圖8可知，此時1號單體電池歐姆內(nèi)阻為初始值的1.2倍左右)，2號單體電池SOC與1號單體電池SOC趨于接近，且低于單節(jié)電池SOC;由圖9(a)可以看出，此時2號單體電池的端電壓高于單節(jié)電池端電壓，由于電池管理系統(tǒng)不能對2號單體電池進行截止電壓保護，將會出現(xiàn)過放電的現(xiàn)象，影響到整個單節(jié)電池的使用安全性。

4 連接片阻值的匹配

由上面的討論可知，連接片阻值與電池的歐姆內(nèi)阻、內(nèi)部并聯(lián)單體電池的數(shù)目、極柱位置的偏置程度和流經(jīng)電池平均電流有關(guān)，極柱位置中心安置有利于降低各單體電池間SOC的偏差。

對極柱位置中心安置，不同數(shù)目單體電池并聯(lián)構(gòu)成的單節(jié)電池進行了仿真。仿真從單節(jié)電池SOC為0.9開始，某單體電池SOC降為0.1時結(jié)束。以單體電池間SOC最大偏差0.05為約束條件，研究了不同平均放電電流，不同并聯(lián)單體電池數(shù)目下，所需的連接片阻值與電池歐姆內(nèi)阻之比，如圖10所示。

由圖可見，為保證各單體電池間SOC最大差異在0.05左右，即使采用兩節(jié)單體電池并聯(lián)，平均放電電流只有0.5C時，連接片阻值與電池歐姆內(nèi)阻阻值比例也不應(yīng)超過10%。隨著內(nèi)部并聯(lián)單體電池數(shù)的增加，平均放電電流的增大，此比例應(yīng)相應(yīng)降低，內(nèi)部并聯(lián)單體電池數(shù)目高于8節(jié)時，連接片阻值不宜高于電池歐姆內(nèi)阻阻值的1%，故在降低電池歐姆內(nèi)阻的同時，不應(yīng)忽略電池成組時連接片阻值的影響。

5 結(jié)論

(1) 基于Matlab/Simscape建立了單體電池模型，該模型可對不同組合方式與狀態(tài)下的電池工作過程進行仿真。

(2) 仿真結(jié)果表明，連接片的存在使與極柱相連的單體電池最先達到電池管理系統(tǒng)設(shè)定的充、放電截止電壓，影響電池的使用性能。

(3) 與極柱相連的單體電池的率先老化將導(dǎo)致的與其相鄰的單體電池出現(xiàn)過放電現(xiàn)象，影響單節(jié)電池的安全性。

(4) 以保證各單體電池SOC間最大偏差0.05為約束條件，仿真研究了不同并聯(lián)電池數(shù)目下的連接片與電池歐姆內(nèi)阻阻值的合理比例。

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The Effects of Connecting Plate Resistance on the Performance of Power Battery for Electric Vehicles

Wang Limei & Cheng Yong

SchoolofEnergy&PowerEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061

In view of the effects of the resistance of connecting plates and the position of terminal post on the performance of a battery module, a model for battery cell is developed based on Matlab/Simscape, with which and connecting plates simulated as a resistance, a model for battery module is built and a simulation is conducted to analyze the effects of connecting plate resistance on the performance of battery module. The results indicate that connecting plate make the battery cell connected directly to terminal post the first cell to reach discharge cut-off voltage set by battery management system, which influences the performance of battery. The battery cell connected to terminal post also ages first, leading to the over-discharge of its adjacent cell, and hence affecting the safety of battery module. Finally with the maximum SOC difference between cells set to 0.05, battery modules with different numbers of cells are simulated, and the reasonable ratio of connection plate resistance to battery ohmic resistance is obtained.

electric vehicles; connecting plate resistance; battery simulation model; battery safety

*原稿收到日期為2014年1月22日，修改稿收到日期為2014年5月6日。