單體不一致性對新能源客車電池壽命的影響探析

陳繼永，盧欣欣

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通226007）

新能源客車中的電池主要是通過成百上千的單體電池通過出串并聯(lián)的方法組合而成。受短板效應(yīng)的影響，新能源客車極易出現(xiàn)單體不一致性。單體不一致性一方面是由于原材料的不一致性，另一方面是由于電池復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和不同溫度的外界環(huán)境。因此，需要解決電池不一致性的問題對電池壽命的消極影響。

1 新能源客車中單體電池不一致性問題分析過程

1.1 導(dǎo)致單體電池不一致性的因素

單體電池的不一致性會使新能源客車的電池系統(tǒng)整體性能較單體電池略差。因為差異化的表現(xiàn)方式不同，單體特性和電池系統(tǒng)之間不存在直接的線性化關(guān)系，因此，單體性能測試無法直接準(zhǔn)確的測量出電池系統(tǒng)性能。其中，動力電池不一致性問題主要表現(xiàn)在單體的容量、內(nèi)阻、電壓、充放電的性能等部分。這些差異均會對新能源客車的電池系統(tǒng)造成消極影響。

1.2 具體實驗分析

通過對兩家電池制造廠家的生產(chǎn)電池作為對比研究對象，將其稱為系統(tǒng)1與系統(tǒng)2。這兩個系統(tǒng)均是統(tǒng)一區(qū)域統(tǒng)一交通線路的客車。同時，為了進一步對比單體電池的生產(chǎn)工藝因素對系統(tǒng)的影響，將這兩個系統(tǒng)分別安裝在相同廠家的汽車A上，試驗電池系統(tǒng)分別為A1、A2，將這兩輛車在相同時間段的數(shù)據(jù)進行對比，同時控制客車的外部環(huán)境對電池的作用相同。在對比中將客車在具體使用中電池系統(tǒng)中的BMS設(shè)備會記錄采集點的最低溫度和最高溫度；電池箱體的單體最低電壓和最高電壓。電池系統(tǒng)的總電流、電壓、SOC等參數(shù)數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，接著監(jiān)控系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存至系統(tǒng)后臺的數(shù)據(jù)庫之中，方便之后的分析研究工作。

2 單體不一致性對新能源客車電池壽命的影響

2.1 溫差不一致性對新能源客車電池壽命的影響

（1）溫差對電池不一致性的影響。因為單體電池自身結(jié)構(gòu)和空間的限制，電池系統(tǒng)在設(shè)計集成的過程中無法使其位于完全相同的環(huán)境中。緊挨著的電池之間產(chǎn)生的熱量會隨著溫度的梯度進行擴散并相互影響。電池系統(tǒng)充電量與放電量之間的關(guān)系相同，在車輛充電時電池一致性與電池電量相關(guān)。因此，電池的實際容量與放電和充電電量相關(guān)。在研究電池溫差和容量之間的關(guān)系時，選擇電池系統(tǒng)A1、A2進行一次完整的充電操作。在SOC小于20%的條件下，將會自動提示用戶進行充電。因此電池的起始充電量一般高于20%。因為電池動力系統(tǒng)的充電方式是恒流充電。

（2）溫差導(dǎo)致的不一致性對電池壽命的影響。為了研究電池的不一致性對新能源客車電池壽命的影響，在實驗中通過測試兩輛客車的實際電池容量，將實際容量與初始容量的比值設(shè)為電池容量保持率（R），通過數(shù)據(jù)可以分析，兩輛系統(tǒng)客車在實際運行中，電池的容量保持率相同，因為使用年限相同，因此可以推測出這兩組電池的使用壽命基本一致。通過分析之間數(shù)據(jù)系統(tǒng)溫差與壓差的數(shù)據(jù)可以看出，客車在運行時單體電池的溫差不一致對電池使用壽命影響較小。此外，A1與A2電池系統(tǒng)因為來自同一生產(chǎn)廠家，電池的關(guān)鍵參數(shù)和電池的工藝均相同，因此這兩組系統(tǒng)的容量衰減相同，證明電池本身的性質(zhì)與其壽命有直接關(guān)系[1]。

2.2 電壓不一致性對新能源客車電池壽命的影響

（1）電壓差對電池不一致性的影響。通過對比兩個系統(tǒng)實際使用中放電功率與充電功率之間的情況，發(fā)現(xiàn)在客車運行中功率需求量不斷變化，電壓也隨之變化。因為A1、A2的電池生產(chǎn)廠家不相同，其中的電芯性質(zhì)也不相同。通過對兩個電池系統(tǒng)的壓差和溫差進行分析，得到系統(tǒng)在使用中電壓差的情況。其中，系統(tǒng)電壓一般在充電末期的SOC會上升到最大，兩個系統(tǒng)之間的電壓差均處于250mv之上，不過A1在運行時壓差在50KV之中。通過選擇兩個系統(tǒng)完整的充電情況作為研究對象，觀察在充電中的各種參數(shù)。通過數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)A2在充電時SOC的電壓顯著上升，其中電壓平臺的壓差降低。這種情況主要和磷酸鐵電池的性質(zhì)有關(guān)。在SOC的兩側(cè)，電壓上升趨勢較陡，而在中間區(qū)域電壓變化較為平緩。因此，電壓的一致性問題受SOC的位置影響。當(dāng)系統(tǒng)A在充電初期至充電量為SOC-98%時，電池的電壓差一直保持在50mv之中，因為電池電壓是所有因素綜合表現(xiàn)出來的直觀數(shù)據(jù)。因此可以得出：電池A1與A2之間的一致性不同，A1比B1強。

為了進一步對比“電池壓差”對電池系統(tǒng)的影響，將帶有系統(tǒng)的客車A1、A2運行數(shù)據(jù)中的電池電壓差進行分析發(fā)現(xiàn)：因為客車的生產(chǎn)上相同，因此電芯本身的特性參數(shù)和一致性均相同。因為兩輛車在實際投入使用之后，運行的交通線路相同，因此可以判定它們的運行工況相同。分析兩輛客車中電池的電壓可以發(fā)現(xiàn)，電壓差值均較大，壓差的波動幅度也較大。其中，最高壓差大約是在0.25V。在SOC部分呈現(xiàn)下降趨勢，實際上電池在行車中處于放電過程，此時電池壓差較低，在0.1之中波動[2]。因此，系統(tǒng)之間在實際運行和充電階段的壓差變化相同。

（2）電壓差引起的電池不一致性對電池壽命的影響。為了研究不一致性與電池壽命的關(guān)系，實驗中分別測試了兩輛客車的電池容量。分別為93%與90%。因為SOC是新能源客車各種數(shù)據(jù)中用戶可以直觀看到的參數(shù)，因此十分重要。有專家通過SOC的定義認為，串聯(lián)電池系統(tǒng)中，單體電池在使用中SOC導(dǎo)致的不一致主要有一些原因：在客車使用過程中單體電池的初始SOC差異、單體電池標(biāo)稱容量的衰減程度差異、單體電池的開始標(biāo)稱容量。其中，針對并聯(lián)電池系統(tǒng)，也許還會受到電池內(nèi)阻差異的影響。這種影響會使電池在使用中內(nèi)部的電流不均衡。在新能源客車的使用中，電池系統(tǒng)一般既包含串聯(lián)也包含并聯(lián)，因此以上因素均會影響電池SOC的一致性。

（3）解決策略。一般新能源客車在系統(tǒng)制造中為了保護電池，SOC的低端會利用最低電壓最為調(diào)整的條件。而高端一般通過最高單體電壓作為調(diào)整條件。通過上述實驗可以發(fā)現(xiàn)，將A1系統(tǒng)與A2系統(tǒng)之間的電池壽命進行對比，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A2的壽命衰減較大。A1比A2的溫差較大，但A1比A2的電壓差較小。而A1電池的衰減程度較小。從中可以總結(jié)，若想提升電池壽命，需要強化單體電池的生產(chǎn)工藝的一致性。積極提升電池制造的能力和水平，確保新能源客車單體電池的出廠質(zhì)量。其中需要保證初始電壓的統(tǒng)一性。例如，對比內(nèi)阻、電壓、電池化成數(shù)據(jù)，挑選性能優(yōu)良的新能源客車電池，確保相同來源的電池性能盡量一致。還可以通過建立電池均衡系統(tǒng)和能力管理系統(tǒng)，提升其均衡技術(shù)，保證電池一致性，提升電池的使用壽命[3]。

3 結(jié) 論

因為環(huán)境和制造工藝等因素的影響，單體電池在使用中或多或少受不一致性的干擾。由于電池系統(tǒng)的壽命衰減因素與新能源客車電池系統(tǒng)的壽命有直接關(guān)系，因此可以將單體電池的制造和生產(chǎn)工藝作為突破口，克服短板效應(yīng)，通過提升新能源客車電池的均衡性強化電池的單體一致性。