新能源汽車電池組一致性的影響因素研究

陳懷勝 徐焱然

摘要：目前每年汽車燃油消耗量占據(jù)了全世界石油總消耗量的41%左右。不可再生能源石油的不斷減少和人類生存環(huán)境的日益破壞，是擺在全世界人類面前的難題。開發(fā)節(jié)能新技術和發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)已成為世界上許多國家應對能源和環(huán)境問題的共同選擇。大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)是我國從汽車大國向汽車強國邁進的必經(jīng)之路，是我國應對氣候變化、推動綠色生態(tài)發(fā)展的英明舉措。作為新能源汽車的動力源的動力電池，如何在保證電池在安全使用的同時，延長使用壽命，一直是新能源汽車中的關鍵技術之一。本文主要分析新能源汽車電池組一致性的影響因素研究。

關鍵詞：儲能電站;電池單體;一致性;極差電壓

引言

當今社會能源危機和環(huán)境污染日益嚴重，科技領域的研究熱點主要集中在安全、清潔、高效的能源存儲和轉(zhuǎn)換技術方面。動力電池是指為電動汽車、電動列車、電動自行車、高爾夫球車等提供動力來源的蓄電池。主要種類有：閥口密封式鉛酸蓄電池、敞口式管式鉛酸蓄電池以及磷酸鐵鋰蓄電池。鋰離子電池作為電能的一種存儲和轉(zhuǎn)換載體，其特點是幾乎不會污染環(huán)境（集中處理）且具有很高的能量轉(zhuǎn)化率。其充電的工作原理是：當鋰離子電池接通電源充電時，鋰離子由正極材料脫嵌（如鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰、磷酸鐵鋰等）進入到電解液中，電解液中的電解質(zhì)（如六氟磷酸鋰LiPF6等）內(nèi)的鋰離子經(jīng)隔膜定向移動到負極表面，與外電路中從正極移動過來的電子結合，同時嵌入負極材料（如石墨、硅碳、鈦酸鋰等）中。因為正、負極的鋰離子產(chǎn)生濃度差、電位差，故六氟磷酸鋰電解質(zhì)中的鋰離子開始從正極透過隔膜向負極定向運動，從而產(chǎn)生了電流。需要指出的是鋰離子電池的放電過程正好是與此相反。

1、國內(nèi)動力電池現(xiàn)狀

新能源汽車的高速發(fā)展帶動了動力電池行業(yè)的快速發(fā)展，近年來涌現(xiàn)出來的以寧德時代為首的中國電池企業(yè)已經(jīng)處于世界領先的地位。目前，國內(nèi)新能源汽車仍然是以磷酸鐵鋰和三元鋰電池為主流，車型的續(xù)航里程基本上都能達到300km，但電池系統(tǒng)的能量密度水平僅為115Wh/Kg--150Wh/Kg之間。國家工信部等四部委在2017年3月，聯(lián)合頒布《促進汽車動力電池發(fā)展行動方案》，指出到2020年，要求新型鋰離子動力申池單體比能量超過300Wh/Kg;系統(tǒng)比能量力爭達到260Wh/Kg。

2、電池組不一致的表現(xiàn)

單體電池電壓不一致是電池組最直觀的表現(xiàn)之一。盡管單體電池在初始狀態(tài)時都是無缺陷的，但由于單體電池的循環(huán)充放電的效率并不相同，故造成單體電池的電壓相差很大。由于不同電池生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的電池阻抗譜差別很大，即使是同一廠家，由于制造溫度和歷史循環(huán)等因素的影響也會使生產(chǎn)出的同一類型電池之間的內(nèi)阻或阻抗不一致。影響單體電池不一致的主要因素是溫度不一致。電池反應與其溫度變化呈指數(shù)關系，即電池溫度越高，其衰減越快，這樣導致電池的不一致性增大。SOC、容量及衰減的不一致性對于新能源汽車來說是最重要的三個特征，因為它們關系到電池組的可用容量和輸出功率。

3、減小電池組不一致性的方法

3.1電池電壓檢測

BMS需要對動力電池組的總電壓和各單體電池電壓進行檢測，現(xiàn)對常見的電池電壓檢測方法進行分析。（1）共模測量和差模測量：共模測量是指使用精密電阻等比例衰減來實現(xiàn)對相對同一參考點電壓的測算，并分別求得不同電池對應的電壓值。這種方法的特點就是操作簡便，但是其測量效果很難滿足需求。差模測量是通過繼電器選通單節(jié)電池進行直接測量，測量精度相對較高。（2）基于繼電器的采集方式電池正負極各自都是連接對應的光耦，并連接到對應的A/D芯片模擬輸入2側，單片機則主要控制繼電器，從而實現(xiàn)單體電池電壓值向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化，然后使用單片機對這些信號進行處理。但是，這種方案需要用到大量的光繼電器，占用體積大，成本較高。（3）基于專用芯片的電壓檢測方式使用半導體公司生產(chǎn)應用于電池管理系統(tǒng)的芯片。用于電壓檢測的專用芯片可以對串聯(lián)的多個電池進行電壓檢測，當串聯(lián)的電池總電壓高于芯片的檢測上限閾值時，可采用多個芯片來實現(xiàn)電壓檢測。每一個芯片對低于其電壓檢測上限閾值的串聯(lián)電池進行檢測，然后將每個芯片檢測得到的電壓值相加得到串聯(lián)電池的總電壓。使用這種方法可以實現(xiàn)大量電池串聯(lián)情況的高電壓檢測。這種方式省去了大量光繼電器，節(jié)約了開發(fā)板面積，但開發(fā)成本較高，導致應用成本上升。

3.2電池電流與電壓采集電路設計

除了集中控制設計外，還要注意電流電壓采集，相應的電路設計至關重要，也是電池座估計的參數(shù)保證。當前電動汽車工業(yè)發(fā)展有較高的性能要求和相應的采集電路精度要求。大多數(shù)電池使用4芯鋰離子電池，單個電池的電壓為3.2V，其最大電壓為3.65v，因為主控制器的A/D轉(zhuǎn)換通道接口能夠支持的最大電壓為3.3V，因此必須保證精度，以確保單部件轉(zhuǎn)換接口的安全性傳感器分別連接到電池塊的正端和負端，收集到的數(shù)據(jù)在顯示在上級計算機上之前被轉(zhuǎn)換為信號傳輸?shù)街骺刂破鳌Ｔ谠O計總電壓獲取電路時，需要具體說明目前最常用的電壓檢測方法，如電阻電壓分離、過流電容器、計算放大器差動放大方法等。電阻電壓分離最適用于單電池電壓采集。雖然累計誤差是無法避免的，但它的負面影響可以被忽略。

3.3定時對電池組的整體狀況進行檢測探究

一是保證電池正常工作，及時清洗電池蓋和電弧焊柱，保證表面清潔，污染源附在上面的，合理應用壓縮空氣法保證表面清潔。此外，必須確保電池組件的整個外殼沒有損壞，并且沒有變形問題。此外，有必要關閉托盤和整個電池蓋系統(tǒng)，對電池和車身進行嚴格和嚴密的處理，以確保電池在車體運行期間保持穩(wěn)定。然后定期檢查電池的連接狀態(tài)。為了保證電池雙極缸電纜連接的穩(wěn)定性，不要出現(xiàn)過松問題，保證電池連接點與溫度采集端口、電壓等之間的安全接觸。整個電池，避免腐蝕和銹蝕問題。充電時應選擇合適的插座和插座，確保兩者之間的有效接觸，避免線路板拉傷等問題。最后，電池組應迅速檢測到漏電情況。電池組電壓相對較高，通常為300 v直流電壓，因此必須保證汽車和電池的絕緣和駕駛員的安全。

3.4電池的均衡控制

BMS系統(tǒng)的電源管理功能中，電池平衡控制管理最為困難。每個單獨電池的初始容量、內(nèi)部阻力和自放電率參數(shù)因生產(chǎn)工藝或材料使用不均衡而異。隨著電池壽命的延長，初始差異越來越大，不適當?shù)牟僮鳒囟葧е码姵夭灰恢?，從而產(chǎn)生共振效應，即更快地消耗性能最差的電池，加速電池壽命的老化，縮短電池壽命，以及目前，主要均衡方法分為被動均衡和主動均衡兩種方法。（1）負債（載？）平衡。被動平衡是指通過使用分散組件（如電阻）來實現(xiàn)電池中每個電池的負載平衡目標而消耗的高負載電池。被動平衡具有分散電流，可能導致能量和熱量損失，電路的熱效應在不一致情況嚴重時可能進一步損害塊——電池——（？）的穩(wěn)定性，但由于結構簡單、易于控制和成本低，仍然是工業(yè)控制中最常見的平衡手段。2主動平衡是指使用電源存儲組件和開關組件將高負載電池的能量轉(zhuǎn)移到低負載電池，以平衡電池中每個單獨電池的能量。主動平衡可提高能效，增加單個電池充電的使用時間，但主動平衡控制邏輯復雜且成本高昂，實際上在能量轉(zhuǎn)換過程中存在損耗。

結束語

影響電池組的不一致性的主要因素是溫度和庫侖效率。溫度的控制需要有較好的電池組熱管理，將溫差控制在5攝氏度內(nèi)，其電池組的不一致性有較大的改觀。新能源汽車電池組的不一致性研究還有很多方向需要進深入系統(tǒng)的研究，例如：生產(chǎn)材料的物理特性導致不一致性的研究，對單體電池壽命二維尺度衰減的機理分析的實驗驗證，單體電池功率輸出不一致性的研究，電池組的連接方式不一致性研究。

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