動(dòng)力鋰電池離散特性分析與建模

鋰電池作為電動(dòng)汽車(chē)的儲能系統， 安全性高， 性能優(yōu)異， 成本低廉， 是目前蓄電池研究領(lǐng)域和電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)人員追求的主要目標。我國在十五計劃實(shí)施期間， 對高功率型和高能量型鋰離子電池的研究取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展， 同時(shí)帶動(dòng)了高安全性與低成本鋰電池材料的研究與應用。其中錳基尖晶石、三元材料和磷酸鐵鋰正極材料的研制、擴試與應用極大推動(dòng)了我國電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，另外還有不常見(jiàn)的磷酸鐵錳電池等。但目前國內對較大規模動(dòng)力鋰離子電池的配組應用技術(shù)還不太成熟， 由于電池離散現象的存在， 使得電池組的循環(huán)使用壽命偏短、性能使用受限、安全隱患增多。

　　1 電池組離散現象的認識

　　電池組的離散現象是指同一規格型號的單體蓄電池組成電池組后， 其電壓、荷電量、容量及其衰退率、內阻及其隨時(shí)間變化率、壽命、溫度影響、自放電率及其隨時(shí)間變化率等參數存在一定的差別。

　　根據國內外文獻和已有的電動(dòng)汽車(chē)運行數據，電池組的離散現象主要表現為電池的內阻、電壓、容量和溫度的不一致。由于電池內阻， 尤其是極化內阻的不一致， 個(gè)別電池在充放電過(guò)程中電壓變化將比較劇烈， 導致整個(gè)電池組的電壓變化劇烈， 影響電池組的調峰能力； 由于單體電池容量存在差異， 部分電池在使用過(guò)程中會(huì )比其他電池先達到充滿(mǎn)或放空的狀態(tài)， 導致這部分電池容易處于過(guò)充電或過(guò)放電的狀態(tài)， 不但會(huì )縮短電池的使用壽命， 還可能導致電池燃燒、爆炸等不安全因素； 由于電池工作中有放熱和吸熱的過(guò)程， 電池的溫度也會(huì )不斷變化， 當溫度變化不一致時(shí)， 部分電池將可能超過(guò)適用溫度范圍， 帶來(lái)性能下降和安全隱患。上述4 種不一致現象不是獨立的， 而是相互影響， 耦合在一起的。

　　2 電壓離散性的統計規律

　　電池組離散現象的隨機性非常強， 既要綜合考慮所有單體電池的狀態(tài)對整組電池離散態(tài)勢的作用， 也不能忽略電池組中極端離散的單體電池的影響[2].如果過(guò)分強調前者， 將導致對電池組中極端離散電池的作用不敏感； 如果過(guò)分強調后者， 將不能反映電池組的整體離散態(tài)勢。

　　試驗對象是國產(chǎn)某公司已產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的鋰離子電池組（ 100 Ah/60 單體串聯(lián)） .單體額定電壓3.8 V,最低放電電壓3.0 V, 最高充電電壓4.2 V, 標準充電制度為恒壓限流模式， 恒壓值： n*4.1 V.電池工作電壓數據由AV900 功率處理系統采集。

　　在電池組投入使用之前， 工廠(chǎng)對電池單體進(jìn)行了嚴格的分選程序， 將一致性較好的單體配組， 消除了各類(lèi)人為的較大偏差。此時(shí)電池組內各單體電壓的差異是受到大量隨機性因素影響的， 尤其是電池內部材料的成分、微觀(guān)結構以及裝配上的細微差別。

　　因此在放電過(guò)程中同一時(shí)刻的單體電壓近似正態(tài)分布， 所以將數理統計學(xué)中樣本標準差S 和樣本極差R 的概念用于度量電池組電壓的離散程度， 即：

　　式中， S 表示電池組內單體電壓之間的標準偏差； Ui表示電池單體電壓；

　　表示電池組內平均單體電壓；n 表示電池單體數目； R 表示電池組內單體電壓數據的極差； Umax 表示電池單體的最高電壓； Umin 表示電池單體的最低電壓。

　　標準偏差反映的是整組電池內單體電壓離散程度， 不因為個(gè)別單體電壓的較大差異而劇烈變化， 是一個(gè)比較穩定的樣本統計值。電壓極差則反映的是電池組中的最大電壓差別。圖1~圖4 為放電過(guò)程中電池單體電壓的標準偏差和極差的變化曲線(xiàn)。

由圖1~圖4 可以看出：

　?、?不同放電電流不會(huì )改變單體電壓標準偏差和極差的曲線(xiàn)形態(tài)， 但隨著(zhù)放電電流增大， 單體電池極化過(guò)程的不一致性加劇， 電池組的整體離散度將會(huì )惡化；

　?、?電池剛開(kāi)始放電時(shí)，電池單體之間的電壓不一致性快速上升， 單體電壓標準偏差較開(kāi)路時(shí)上升約40%, 電池單體電壓極差較開(kāi)路時(shí)約上升50%, 這段過(guò)渡過(guò)程的電壓不一致性惡化主要是由于單體電池之間的微觀(guān)結構差異在濃差極化和電化學(xué)極化過(guò)程中的電壓表現形式；

　　 ③在SOC 為0.95~0.15 時(shí)， 放電電壓的標準偏差和極差迅速趨于穩定， 僅在小范圍內波動(dòng)， 增長(cháng)趨勢不明顯；

　?、?在放電末期， 即SOC0.10 時(shí)， 電池單體之間的電壓不一致性顯著(zhù)增大， 是因為電池內部副反應加劇， 導致單體電池之間的極化內阻出現較大差異。

　?、莶煌瑴囟认?， 電壓離散度曲線(xiàn)相似， 在- 18℃電池放電電壓的離散度曲線(xiàn)發(fā)生變化， 在SOC0.4 以后的放電階段， 標準偏差和極差都開(kāi)始逐漸變大， 一致性開(kāi)始惡化。