單體不一致性對(duì)新能源客車電池壽命的影響

賈永強(qiáng)+孫艷艷+謝群鵬+賈志偉

摘 要：新能源客車的動(dòng)力電池通常是由成百甚至上千個(gè)單體電池通過(guò)串并聯(lián)方式組成，由于短板效應(yīng)，電池系統(tǒng)的性能通常由系統(tǒng)內(nèi)部最差單體電池決定，所以單體電池的不一致性會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)的性能大幅度降低，特別是電池系統(tǒng)的壽命會(huì)受到較大影響。本文通過(guò)新能源客車市場(chǎng)運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用中的電池不一致性問(wèn)題，分析這種不一致性問(wèn)題對(duì)電池系統(tǒng)壽命的影響，并針對(duì)性的提出由于電池不一致性問(wèn)題帶來(lái)的電池壽命衰減的改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：新能源客車；大數(shù)據(jù)；不一致性；電池壽命

中圖分類號(hào)：TM912 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2017）05-0008-04

The Effect of Cell Inconsistency on the Battery Life of New Energy Buses

JIA Yong-qiang ， SUN Yan-yan ， XIE Qun-pen g， JIA Zhi-wei

（ Zhenzhou Yutong Bus Co.，Ltd. Zhengzhou450061， China）

Abstract： New energy bus is usually composed of hundreds or even thousands of single cells in series parallel way， and the structure of the battery system is very complex， so the influence the cell consistency issues will be bigger in new energy bus， especially for the life of battery system. Based on the large data of new energy bus， the paper analyzes batteries inconsistency issues and its effect on the battery life. At last the paper puts forward the improvement measure on battery life which caused by the battery inconsistency problem.

Key Words： New energy bus； large data； inconsistency； battery life

1 引言

隨著新能源客車數(shù)量的日益增加，使得新能源客車用動(dòng)力電池備受關(guān)注，特別是動(dòng)力電池的系統(tǒng)壽命[1-5]。然而，新能源客車用動(dòng)力電池系統(tǒng)通常是由成百個(gè)甚至上千個(gè)單體電池通過(guò)串并聯(lián)方式組成，這使得電池組系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。所以在動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部單體間存在一定的差異，即電池的不一致性問(wèn)題，這也致使動(dòng)力電池單體性能沒(méi)有辦法代表電池系統(tǒng)性能。

單體電池的不一致性首要來(lái)源于單體的本身的一致性，即制備工藝一致性和分選技術(shù)的完善性。為保證單體間的一致性，正、負(fù)極材料和電解液的均勻性非常重要，原材料的不一致性問(wèn)題會(huì)帶來(lái)電池的不一致性。除原材料影響之外，由于電池的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，單體電池制造過(guò)程也存在很大的不一致性問(wèn)題[6]。另一方面，在不同的溫度下電池的電化學(xué)特性很不一樣，因此即使是一致性很好的單體成組后在不同的環(huán)境溫度下也會(huì)體現(xiàn)出不一致，最終導(dǎo)致電池組容量的較快衰減[7]。

本文通過(guò)新能源客車市場(chǎng)運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用中的電池不一致性問(wèn)題，分析這種不一致性問(wèn)題對(duì)電池系統(tǒng)壽命的影響，并針對(duì)性的提出由于電池一致性問(wèn)題帶來(lái)的電池壽命衰減的改進(jìn)措施。

2 新能源客車用動(dòng)力電池單體不一致性問(wèn)題

單體電池不一致性會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)的性能會(huì)較單體電池性能差，由于差異性的體現(xiàn)方式不同，差異的大小不同，電池系統(tǒng)與單體特性表現(xiàn)之間并沒(méi)有一個(gè)直接的線性關(guān)系，所以通常電池系統(tǒng)的性能很難直接通過(guò)單體的性能評(píng)測(cè)準(zhǔn)確得到。動(dòng)力電池不一致性問(wèn)題主要體現(xiàn)在單體電壓、內(nèi)阻、容量、充放電性能等方面，各方面的差異均會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響。為分析動(dòng)力電池一致性問(wèn)題，特選用兩家電池生產(chǎn)廠家生產(chǎn)電池作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)命名為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B，系統(tǒng)A、B為同一地區(qū)同一線路運(yùn)行公交客車。另一方面為了進(jìn)行對(duì)比分析電池生產(chǎn)工藝等影響，選取了兩臺(tái)裝有同一電池廠家生產(chǎn)系統(tǒng)B的車輛，兩套電池系統(tǒng)分別命名為系統(tǒng)B1、B2，裝有系統(tǒng)B1和B2的車輛也為運(yùn)行在同一線路上車輛，同時(shí)選取車輛數(shù)據(jù)為同一時(shí)間周期數(shù)據(jù)，所以車輛外界環(huán)境對(duì)電池影響基本一致。車輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中電池管理系統(tǒng)BMS會(huì)將電池箱體內(nèi)部電池最高、最低單體電壓、最高、最低采集點(diǎn)溫度、電池系統(tǒng)總壓、總電流、SOC等關(guān)鍵參數(shù)上傳給監(jiān)控系統(tǒng)，然后由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，本文數(shù)據(jù)為后臺(tái)大數(shù)據(jù)提取得到。

對(duì)于已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的電池系統(tǒng)其對(duì)外直接表現(xiàn)形式就是溫度、電壓、SOC等關(guān)鍵參數(shù)，所以下面將就從溫度、電壓這兩個(gè)方面逐一進(jìn)行分析。為了對(duì)單體電池不一致進(jìn)行分析，引入了溫差和壓差的比較，其中以電池系統(tǒng)內(nèi)最高溫度與最低溫度之間的差值定義為溫差，以電池系統(tǒng)內(nèi)最高電壓與最低電壓之間的差值定義為壓差。

2.1 溫差不一致性對(duì)電池壽命的影響

由于空間局限以及單體電池本體結(jié)構(gòu)的差異性，電池系統(tǒng)在集成設(shè)計(jì)時(shí)很難保證所有的單體處于完全一致環(huán)境。此外，相鄰電池之間的熱量會(huì)沿著溫度梯度傳播并相互作用，這必將導(dǎo)致處于緊密包圍中心的電池單體溫度會(huì)較其他單體電池高，這些因素最終必將導(dǎo)致電池之間的溫度存在差異。電池內(nèi)部溫度的差異會(huì)使電池使用溫度不一致，這也將帶來(lái)單體電池之間的不一致性，表征為單體電池的特性不一致及電池容量的衰減增加。endprint

提取裝有兩套系統(tǒng)B1和B2車輛運(yùn)行一周時(shí)間的數(shù)據(jù)，對(duì)其對(duì)應(yīng)溫差進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。從圖中可以看出兩套系統(tǒng)溫差差異非常大，系統(tǒng)B1最大溫差達(dá)到12℃，系統(tǒng)B2的最大溫差為6℃?？梢钥闯鱿到y(tǒng)B1內(nèi)部電池所處環(huán)境差異性較大。為了對(duì)比分析另一影響因素電池壓差，對(duì)裝有系統(tǒng)B1、B2的兩臺(tái)車輛的電池壓差進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。由于為同一廠家生產(chǎn)，所以其電芯本體一致性及特性參數(shù)相對(duì)比較一致，而且兩臺(tái)車運(yùn)行在同一線路上，均為公交工況，所以可以認(rèn)為兩臺(tái)車運(yùn)行工況相對(duì)一致。對(duì)兩臺(tái)車搭載電池電壓進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)兩套系統(tǒng)壓差都比較大，壓差波動(dòng)也比較大，最大壓差均在0.25V左右，且均在SOC持續(xù)下降階段（行車放電階段）電池壓差較小，大約在0.1V以內(nèi)，在SOC持續(xù)上升末端（即充電末端）出現(xiàn)電池壓差急劇上升，所以從這些特性看出兩套系統(tǒng)在行車和充電過(guò)程中壓差變化趨勢(shì)及大小基本一致。

眾所周知，電池系統(tǒng)可以放出電量與充進(jìn)去電量直接相關(guān)，在車輛充電過(guò)程中電池的一致性問(wèn)題直接影響到電池的充電電量，所以電池的實(shí)際容量與以上幾點(diǎn)均相關(guān)。為了研究電池系統(tǒng)的容量與溫差一致性關(guān)系，選取系統(tǒng)B1、系統(tǒng)B2其中一次完整的充電過(guò)程作為研究對(duì)象，其充電過(guò)程相關(guān)參數(shù)如圖3。為了保護(hù)電池一般會(huì)在SOC低于20%時(shí)提醒用戶充電，所以充電起始SOC一般會(huì)大于20%，如圖3，兩套系統(tǒng)充電起始SOC也均大于等于20%。

車輛動(dòng)力電池充電為恒流充電模式，前期充電電流較大，在接近充電末期為了減小電化學(xué)極化會(huì)逐步降低充電電流直至電池單體達(dá)到充電上限電流。圖3給出了裝有系統(tǒng)B1和B2電池系統(tǒng)兩臺(tái)車從約20%左右開(kāi)始充電直至充電截止全過(guò)程中電池系統(tǒng)最高、最低電壓及SOC參數(shù)變化，從圖中看出兩套電池系統(tǒng)的充電特性完全一致，在充電初期及充電后期由于單體電池不一致性部分單體電池極化大，電池電壓上升較快，充電過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)部逐漸達(dá)到平衡，極化減小，電池壓差減小，在充電末端電池內(nèi)部極化達(dá)到最大，單體電池的不一致性更加凸顯，表現(xiàn)為部分單體電壓急劇上升，而其他單體電池由于充電電流的減小極化逐漸減小，表現(xiàn)為電壓上升很慢，所以出現(xiàn)單體最低電壓為下降趨勢(shì)。為了研究電池一致性對(duì)電池壽命的影響，測(cè)試了兩臺(tái)車的電池實(shí)際容量，定義實(shí)際容量除以電池初始的額定容量的比值為電池容量保持率R，其結(jié)果如表1：

從表1結(jié)果來(lái)看，兩套系統(tǒng)的電池容量保持率基本一致，兩臺(tái)車使用年限也基本一致，所以可以預(yù)估兩套動(dòng)力電池使用壽命基本一致。結(jié)合前面分析的兩套電池系統(tǒng)溫差相差較大，壓差比較一致，可以得出在車輛運(yùn)行過(guò)程中電池溫差的不一致性對(duì)電池使用壽命影響較小。另一方面，系統(tǒng)B1和系統(tǒng)B2為同一電池廠家生產(chǎn)，電池工藝及關(guān)鍵參數(shù)比較一致，所以兩套系統(tǒng)的容量衰減比較一致，這也說(shuō)明電池壽命與電池的本體特性關(guān)系更大。

2.2 電壓不一致性對(duì)電池壽命的影響

如下圖4（a）（系統(tǒng)A示例）為車輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的充電功率與放電功率（放電功率為正向、回饋功率和充電功率為負(fù)），可以看出車輛在運(yùn)行過(guò)程中功率需求是時(shí)刻變化的，相應(yīng)的電池的端電壓也是時(shí)刻變化的如下圖4（b）。

由于系統(tǒng)A與系統(tǒng)B2為兩個(gè)電池廠家生產(chǎn)，所以其電芯特性相差較大，據(jù)此我們對(duì)系統(tǒng)A、系統(tǒng)B2的溫差和壓差進(jìn)行逐一分析。系統(tǒng)A與系統(tǒng)B2在使用過(guò)程的電壓差見(jiàn)圖5。系統(tǒng)電池壓差通常在充電末端即圖中SOC逐漸上升達(dá)到100%時(shí)達(dá)到最大，兩套系統(tǒng)最大壓差均在250mv以上，但是系統(tǒng)A運(yùn)行過(guò)程中電池壓差均控制在50mv之內(nèi)，但是系統(tǒng)B2電池壓差較為分散，壓差整體比系統(tǒng)A大，特別是充電末端電池壓差增大明顯。

系統(tǒng)A與系統(tǒng)B2在使用過(guò)程的溫差如圖1，為了滿足運(yùn)營(yíng)需求，裝載系統(tǒng)A的車輛一周時(shí)間內(nèi)使用非常頻繁，除了夜間擱置之外，白天運(yùn)行時(shí)間大約在16小時(shí)左右。這種頻繁的使用對(duì)電池的一致性提出了更高的要求，電池系統(tǒng)A最高溫差達(dá)到12℃，大部分時(shí)間溫差在3-6℃之間。裝載系統(tǒng)B2與系統(tǒng)A 使用情況不完全一致，車輛每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間大約在14小時(shí)左右。電池溫場(chǎng)相對(duì)均勻，95%以上在2-5℃之間。兩套系統(tǒng)在溫場(chǎng)分布上有明顯差異，系統(tǒng)A相對(duì)于系統(tǒng)B2溫差要大。

選取系統(tǒng)B2、系統(tǒng)A其中一次完整的充電過(guò)程作為研究對(duì)象，其充電過(guò)程相關(guān)參數(shù)如圖7。

在圖7中，系統(tǒng)B2充電過(guò)程電池在SOC兩端壓差明顯增加，在中間電壓平臺(tái)區(qū)壓差減小。這個(gè)與磷酸鐵電池特性有關(guān)，在SOC兩端，電壓上升趨勢(shì)相對(duì)陡，而在SOC中間區(qū)域電壓相對(duì)較平，所以電池一致性問(wèn)題在SOC兩端會(huì)體現(xiàn)得更為突出。而系統(tǒng)A從開(kāi)始充電帶充電到充電至SOC為98%時(shí)，電池壓差一直維持在50mV之內(nèi)，而電池端電壓是綜合各種影響因素體現(xiàn)出來(lái)的唯一直觀參數(shù)，所以這兩者對(duì)比很明顯發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A電池的一致性明顯比系統(tǒng)B2要好。為了研究電池一致性對(duì)電池壽命的影響，測(cè)試了兩臺(tái)車的電池容量，結(jié)果如表2：

SOC在新能源客車上是用戶能看到有關(guān)電池最為直觀的一個(gè)參數(shù)，所以其重要性是不言而喻的。戴海峰[8]根據(jù)SOC定義分析認(rèn)為對(duì)串聯(lián)型電池系統(tǒng)而言，單體電池在使用過(guò)程中SOC產(chǎn)生不一致問(wèn)題的主要原因?yàn)椋簡(jiǎn)误w電池初始標(biāo)稱容量、使用過(guò)程中單體電池標(biāo)稱容量衰減速率和單體電池初始SOC的差異。對(duì)并聯(lián)型電池系統(tǒng)而言，除上述3 個(gè)原因外，還可能由于電池內(nèi)阻差異，導(dǎo)致電池的工作電流不同。而實(shí)際電池系統(tǒng)內(nèi)部通常是既有串聯(lián)也有并聯(lián)，所以以上幾個(gè)因素均會(huì)影響電池系統(tǒng)SOC一致性。

在系統(tǒng)中為了保護(hù)電池，通常SOC低端會(huì)以最低電壓作為修正條件，SOC高端則會(huì)以最高單體電壓作為修正條件。所以在電池SOC高低端時(shí)電池壓差對(duì)SOC一致性影響更大。在圖7中我們注意到系統(tǒng)B2由于在充電末端電壓差急劇增加，為防止單體電池出現(xiàn)過(guò)充問(wèn)題，以單體電池截止電壓作為充電終止條件。而此時(shí)電池最低電壓是急劇下降的，說(shuō)明電池系統(tǒng)內(nèi)大部分電池未充滿，所以在充電末端出現(xiàn)SOC跳變問(wèn)題，SOC直接由86%跳變到100%，所以出現(xiàn)系統(tǒng)B2的電池容量衰減更大。endprint

兩臺(tái)車輛運(yùn)營(yíng)時(shí)間一致，運(yùn)營(yíng)里程裝載系統(tǒng)A車輛略高于裝載系統(tǒng)B2車輛，但結(jié)果顯示電池系統(tǒng)B壽命衰減較大。結(jié)合前面提到溫差和壓差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A溫差雖然較系統(tǒng)B略大，但是其壓差明顯比系統(tǒng)B小，最終電池系統(tǒng)A的電池壽命衰減卻要小，從這個(gè)我們可以得出，由于短板效應(yīng)電池系統(tǒng)的壽命衰減與電池本體一致性關(guān)系更大，電池溫差一致性如果在可接受范圍內(nèi)其對(duì)電池壽命衰減的作用要小于電池本體帶來(lái)的作用。鑒于這種情況，提升電池系統(tǒng)壽命還是需要從單體電池生產(chǎn)工藝一致性著手，提高電池制造工藝水平，保證電池出廠質(zhì)量，尤其是初始電壓的一致性。同一批次電池出廠前，以電壓、內(nèi)阻及電池化成數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)相關(guān)性分析，篩選相關(guān)性良好的電池，以此來(lái)保證同批電池性能盡可能一致[9]。同時(shí)應(yīng)開(kāi)發(fā)實(shí)用性電池組能量管理和均衡系統(tǒng)，提高電池均衡技術(shù)以提升電池一致性[10]。

3 小結(jié)

受限于單體電池的電壓和容量，新能源客車通常由成百個(gè)甚至上千個(gè)單體電池串并聯(lián)形成電池組，而由于制造工藝和使用環(huán)境的不一致，單體電池間總是存在不可消除的不一致性。單體電池成組后，其能量密度，電池容量等性能都會(huì)因?yàn)閱误w電池間的不一致而下降，電池壽命衰減也會(huì)隨著不一致性增加而加快。

由于短板效應(yīng)電池系統(tǒng)的壽命衰減與電池本體一致性關(guān)系更大，電池溫差一致性相對(duì)對(duì)電池壽命衰減的作用要小于電池本體帶來(lái)的作用。鑒于這種情況，提升電池系統(tǒng)壽命還是需要從單體電池生產(chǎn)工藝一致性著手，同時(shí)提高電池均衡技術(shù)以提升電池一致性。

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