汽車(chē)動(dòng)力電池組的參數與特性分析、均衡管理

　　動(dòng)力電池被認為是未來(lái)汽車(chē)的電動(dòng)汽車(chē)是電動(dòng)源、電機和整車(chē)三大技術(shù)的結合體，電動(dòng)源是電動(dòng)汽車(chē)的核心部件，目前已經(jīng)形成動(dòng)力鋰離子電池及其專(zhuān)用材料的開(kāi)發(fā)熱潮.做為一種新型的動(dòng)力技術(shù)，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達到使用電壓的需要，單體性能上的參差不齊并不全是緣于電池的生產(chǎn)技術(shù)問(wèn)題，從涂膜開(kāi)始到成品要經(jīng)過(guò)多道工序，即使每道工序都經(jīng)過(guò)嚴格的檢測程序，使每只電池的電壓、內阻、容量一致，使用一段時(shí)間以后，也會(huì )產(chǎn)生差異，使得鋰動(dòng)力電池的使用技術(shù)問(wèn)題迫在眉睫，而且必須盡快解決.

　　動(dòng)力電池組的使用壽命受多種因素影響，如果電池組壽命低于單體平均壽命的一半以下，可以推斷都是由于使用技術(shù)不當造成的，首要原因當推過(guò)充和過(guò)放導致單體電池提前失效.本文結合鋰動(dòng)力電池特性、電子電源、計算機控制技術(shù)研究動(dòng)力電池組的使用技術(shù)，探討動(dòng)力電池組的均衡控制和管理.

　　動(dòng)力電池主要性能參數

　　1電壓

　　開(kāi)路電壓=電動(dòng)勢+電極過(guò)電位，工作電壓=開(kāi)路電壓+電流在電池內部阻抗上產(chǎn)生的電壓降.電動(dòng)勢由電極和電解質(zhì)材料特性決定，電極的過(guò)電位與材料活性、荷電狀態(tài)和工況有關(guān).金屬鋰標準電極電位-3.05V，3V鋰電池3.3~2.3V，4V鋰4.2~3.7V，5V鋰4.9V~3.0V

　　2內阻

　　電池在短時(shí)間內的穩態(tài)模型可以看作為一個(gè)電壓源，其內部阻抗等效為電壓源內阻，內阻大小決定了電池的使用效率.電池內阻包括歐姆電阻和極化電阻兩部分，歐姆電阻不隨激勵信號頻率變化，又稱(chēng)交流電阻，在同一充放電周期內，歐姆電阻除溫升影響外變化很小.極化電阻由電池電化學(xué)特性對外部充放電表現出的抵抗反應產(chǎn)生，與電池荷電、充放強度、材料活性都有關(guān).同批電池，內阻過(guò)大或過(guò)小者都不正常，內阻過(guò)小可能意味材料枝晶生長(cháng)和微短路，內阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減，內阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據之一.

　　3溫升

　　電池溫升定義為電池內部溫度與環(huán)境溫度的差值.多數鋰電池充電時(shí)屬吸熱反應，放電時(shí)為放熱反應，兩者都包含內阻熱耗.充電初期，極化電阻最小，吸熱反應處于主導地位，電池溫升可能出現負值，充電后期，阻抗增大，釋熱多于吸熱，溫升增加，過(guò)充時(shí)，隨不可逆反應的出現，逸出氣體，內壓、溫升升高，直到變形、爆裂.

　　4內壓

　　電池內部壓力，由于電池內部反應逸出氣體導致氣壓增大，氣壓過(guò)大將撐破殼體和發(fā)生爆裂，基于安全考慮，一方面鋰電池都設計了單向的防爆閥門(mén)，一方面用塑殼制造.析氣反應常伴隨著(zhù)不可逆反應，也就意味著(zhù)活性物質(zhì)的損失、電池容量的下降，無(wú)析氣、小溫升充放電是最理想的

　　5電量

　　電學(xué)里，電量用Wh表示，是能量單位，一度電等于1kWh，電池常用Ah計算電量，對于動(dòng)力電池側重于功率和能量大小，用Wh更直接一些，因為電池的電壓是變化的，其全程變化量可達到極大值的一半左右，用Ah計算電量不能正確描述電池的動(dòng)力驅動(dòng)能力，但Ah作為電池的電量單位自有其歷史和道理，在不引起歧義的地方兩種電量單位都可以使用

　　6荷電

　　電池還有多少電量，又稱(chēng)剩余電量，常取其與額定容量或實(shí)際容量的比值，稱(chēng)荷電程度.是人們在使用中最關(guān)心的、也是最不易獲得的參數數據，人們試圖通過(guò)測量?jì)茸?、電壓電流的變化等推算荷電量，做了許多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到統計數據的有效支持，指示的荷電程度總是非線(xiàn)性變化

　　7容量

　　電池在充足電以后，開(kāi)始放電直到放空電為止，能輸出的最大電量.容量與放電電流大小有關(guān)，與充放電截止電壓也有關(guān)系，故容量定義為小時(shí)率容量，動(dòng)力電池常用1小時(shí)率（1C）或2小時(shí)率（0.5C）容量.電池在化成之前材料的活性不能正常發(fā)揮，容量很小，化成過(guò)程開(kāi)始后，電池進(jìn)入其生命期，在整個(gè)生命期里，電池的活化和劣化過(guò)程是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面，初期活化作用處于主導地位，電池容量逐漸上升，以后，活化和劣化作用都不明顯或相當，后期，劣化作用顯著(zhù)，容量衰減，規定容量衰減到一定比例（60%）后，電池壽命終結.

　　8功率

　　電學(xué)定義直流電源的輸出功率等于輸出電壓與電流的乘積，鋰電池單體電壓高，在相同的輸出電流下，其功率分別是鉛酸、鎳鎘鎳氫的1.8倍和3倍.電動(dòng)汽車(chē)用動(dòng)力電池組的負載是電機控制器，電機控制器根據車(chē)速變化調整輸出功率，短時(shí)間來(lái)看，電池組驅動(dòng)的是恒功率負載，這個(gè)功率變化的范圍極大，制動(dòng)時(shí)有與加速時(shí)相近的反向逆變功率.

　　9效率

　　電池的效率指電池的充放電效率或能量輸出效率，本文指后者.對于電動(dòng)汽車(chē)，續駛里程是最重要指標之一，在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下，根據能量守恒定律，電池組輸出的能量轉化為兩部分，一部分作為熱耗散失在電阻上，另一部分提供給電機控制器轉化為有效動(dòng)力，兩部分能量的比率取決于電池組輸出阻抗和電機控制器的等效輸入阻抗之比，電池組的阻抗越小，無(wú)用的熱耗就越小，輸出效率就更大.

　　10壽命

　　單體電池壽命定義和測試程序已被人們普遍接受并形成許多標準，測試壽命時(shí)，可保證不過(guò)充、過(guò)放，也就不會(huì )提前失效，與單體不同，電池組的壽命測試目前的做法不科學(xué)，在一定程度上限制了動(dòng)力鋰電池的實(shí)用化進(jìn)程.提供者強調每只電池的電壓不可超越規定的限值，電池組的壽命應該是各單體電池壽命的最小者，其值應該與單體平均壽命相差不會(huì )太多，測試人員模擬電池組使用情況，用對單體電池相同的方法測試壽命，電壓限值取單體電壓限值與數量乘積，實(shí)際限制的是單體平均電壓，組內單體電壓有低有高，對于幾十只、上百只的電池組，電壓、容量、內阻的差異性總是客觀(guān)存在的，過(guò)充過(guò)放無(wú)法避免，并且一旦發(fā)生相關(guān)電池將很快報廢，因此就出現專(zhuān)家組測試的電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組的壽命還沒(méi)有突破過(guò)百次.

　　11安全

　　動(dòng)力電池的工作條件苛刻，主要的安全問(wèn)題是電池自身爆炸、燃燒和導致的電火，在電動(dòng)汽車(chē)研發(fā)進(jìn)程中，發(fā)生過(guò)多次起火事件，對電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展造成了負面影響，通過(guò)多種渠道了解，在這些事故中，有電池自燃的，有車(chē)輛被燒毀的，甚至動(dòng)用消防隊滅火，許多單位顧忌影響而施行保密策略，事發(fā)第一現場(chǎng)很難到場(chǎng)，

　　總結這些不完全的事故信息，初步有以下推斷：

　　·長(cháng)期在庫存的電池未發(fā)生過(guò)自燃和爆炸，運輸過(guò)程中也沒(méi)出現自燃的；

　　·電池爆炸發(fā)生于充電后期或已經(jīng)結束，充電設備和方法難脫干系；

　　·外部電路短路可以造成強電弧或使導線(xiàn)燃燒，也可以導致自燃，一般的電壓、電流源都有此特性；

　　·用組電壓或電流限制不能避免電池的過(guò)充過(guò)放；

　　·過(guò)充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸，過(guò)放電（反充電）一次足以使電池報廢；

　　·一些受試電池通過(guò)了苛刻的用沖鋒槍射擊、擠壓破裂短路、水淋、水泡等安規測試.

　　總之，電池的正確使用技術(shù)是非常重要的.　　動(dòng)力電池組充放電特性

　　以單體電池為動(dòng)力源如移動(dòng)電話(huà)，電源管理技術(shù)已經(jīng)十分完善，但在電池組中，單體之間的差異總是存在的，以容量為例，其差異性永不會(huì )趨于消失，而是逐步惡化的.組中流過(guò)同樣電流，相對而言，容量大者總是處于小電流淺充淺放、趨于容量衰減緩慢、壽命延長(cháng)，而容量小者總是處于大電流過(guò)充過(guò)放、趨于容量衰減加快、壽命縮短，兩者之間性能參數差異越來(lái)越大，形成正反饋特性，小容量提前失效，組壽命縮短，在下文的充放電特性分析中就必須包含過(guò)充電和過(guò)放電過(guò)程.

　　1充電

　　目前鋰電池充電主要是限壓限流法，初期恒流（CC）充電，電池接受能力最強，主要為吸熱反應，但溫度過(guò)低時(shí)，材料活性降低，可能提前進(jìn)入恒流階段，因此在北方冬天低溫時(shí)，充電前把電池預熱可以改善充電效果.隨著(zhù)充電過(guò)程不斷進(jìn)行，極化作用加強，溫升加劇，伴隨析氣，電極過(guò)電位增高，電壓上升，當荷電達到約70~80%時(shí)，電壓達到最高充電限制電壓，轉入恒壓（CV）階段.理論上并不存在客觀(guān)的過(guò)充電壓閾值，若理解為析氣、升溫就意味著(zhù)過(guò)充，則在恒流階段末期總是發(fā)生不同程度的過(guò)充，溫升達到40~50攝氏度，殼體形變容易感測，部分逸出氣體還可以復合，另一些就作為不可逆反應的結果，損失了容量，這可以看作電流強度超出電池接受能力.在恒壓階段，有稱(chēng)涓流充電，大約花費30%的時(shí)間充入10%的電量，電流強度減小，析氣、溫升不再增加，并反方向變化.

　　2過(guò)充電

上述過(guò)程考慮電池組總電壓或平均電壓控制，其實(shí)總有單體電壓較高者，相對組內其它電池已經(jīng)進(jìn)入過(guò)充電階段.過(guò)充電時(shí)，若在恒流階段發(fā)生，由于電流強度大，電壓、溫升、內壓持續升高，以4V鋰為例，電壓達到4.5V時(shí)，溫升40度、塑料殼體變硬，4.6V時(shí)溫升可達60度、殼體形變明顯并不可恢復，若繼續過(guò)充，氣閥打開(kāi)、溫升繼續升高、不可逆反應加劇.恒壓階段，電流強度較小，過(guò)充癥狀不如恒流階段顯著(zhù).只