汽車動力電池組的參數(shù)與特性分析、均衡管理

　　動力電池被認(rèn)為是未來汽車的電動汽車是電動源、電機(jī)和整車三大技術(shù)的結(jié)合體，電動源是電動汽車的核心部件，目前已經(jīng)形成動力鋰離子電池及其專用材料的開發(fā)熱潮.做為一種新型的動力技術(shù)，鋰電池在使用中必須串聯(lián)才能達(dá)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)問題，從涂膜開始到成品要經(jīng)過多道工序，即使每道工序都經(jīng)過嚴(yán)格的檢測程序，使每只電池的電壓、內(nèi)阻、容量一致，使用一段時(shí)間以后，也會產(chǎn)生差異，使得鋰動力電池的使用技術(shù)問題迫在眉睫，而且必須盡快解決.

　　動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(dāng)造成的，首要原因當(dāng)推過充和過放導(dǎo)致單體電池提前失效.本文結(jié)合鋰動力電池特性、電子電源、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)研究動力電池組的使用技術(shù)，探討動力電池組的均衡控制和管理.

　　動力電池主要性能參數(shù)

　　1電壓

　　開路電壓=電動勢+電極過電位，工作電壓=開路電壓+電流在電池內(nèi)部阻抗上產(chǎn)生的電壓降.電動勢由電極和電解質(zhì)材料特性決定，電極的過電位與材料活性、荷電狀態(tài)和工況有關(guān).金屬鋰標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)阻

　　電池在短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個(gè)電壓源，其內(nèi)部阻抗等效為電壓源內(nèi)阻，內(nèi)阻大小決定了電池的使用效率.電池內(nèi)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，又稱交流電阻，在同一充放電周期內(nèi)，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(xiàn)出的抵抗反應(yīng)產(chǎn)生，與電池荷電、充放強(qiáng)度、材料活性都有關(guān).同批電池，內(nèi)阻過大或過小者都不正常，內(nèi)阻過小可能意味材料枝晶生長和微短路，內(nèi)阻太大又可能是極板老化、活性物質(zhì)喪失、容量衰減，內(nèi)阻變化可以作為電池裂化的充分性參考依據(jù)之一.

　　3溫升

　　電池溫升定義為電池內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的差值.多數(shù)鋰電池充電時(shí)屬吸熱反應(yīng)，放電時(shí)為放熱反應(yīng)，兩者都包含內(nèi)阻熱耗.充電初期，極化電阻最小，吸熱反應(yīng)處于主導(dǎo)地位，電池溫升可能出現(xiàn)負(fù)值，充電后期，阻抗增大，釋熱多于吸熱，溫升增加，過充時(shí)，隨不可逆反應(yīng)的出現(xiàn)，逸出氣體，內(nèi)壓、溫升升高，直到變形、爆裂.

　　4內(nèi)壓

　　電池內(nèi)部壓力，由于電池內(nèi)部反應(yīng)逸出氣體導(dǎo)致氣壓增大，氣壓過大將撐破殼體和發(fā)生爆裂，基于安全考慮，一方面鋰電池都設(shè)計(jì)了單向的防爆閥門，一方面用塑殼制造.析氣反應(yīng)常伴隨著不可逆反應(yīng)，也就意味著活性物質(zhì)的損失、電池容量的下降，無析氣、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(jì)算電量，對于動力電池側(cè)重于功率和能量大小，用Wh更直接一些，因?yàn)殡姵氐碾妷菏亲兓模淙套兓靠蛇_(dá)到極大值的一半左右，用Ah計(jì)算電量不能正確描述電池的動力驅(qū)動能力，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，又稱剩余電量，常取其與額定容量或?qū)嶋H容量的比值，稱荷電程度.是人們在使用中最關(guān)心的、也是最不易獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)，人們試圖通過測量內(nèi)阻、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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的有效支持，指示的荷電程度總是非線性變化

　　7容量

　　電池在充足電以后，開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，化成過程開始后，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程是一個(gè)問題的兩個(gè)方面，初期活化作用處于主導(dǎo)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(dāng)，后期，劣化作用顯著，容量衰減，規(guī)定容量衰減到一定比例（60%）后，電池壽命終結(jié).

　　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.電動汽車用動力電池組的負(fù)載是電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)車速變化調(diào)整輸出功率，短時(shí)間來看，電池組驅(qū)動的是恒功率負(fù)載，這個(gè)功率變化的范圍極大，制動時(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.對于電動汽車，續(xù)駛里程是最重要指標(biāo)之一，在電池組電量和輸出阻抗一定的前提下，根據(jù)能量守恒定律，電池組輸出的能量轉(zhuǎn)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(jī)控制器轉(zhuǎn)化為有效動力，兩部分能量的比率取決于電池組輸出阻抗和電機(jī)控制器的等效輸入阻抗之比，電池組的阻抗越小，無用的熱耗就越小，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(biāo)準(zhǔn)，測試壽命時(shí)，可保證不過充、過放，也就不會提前失效，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力鋰電池的實(shí)用化進(jìn)程.提供者強(qiáng)調(diào)每只電池的電壓不可超越規(guī)定的限值，電池組的壽命應(yīng)該是各單體電池壽命的最小者，其值應(yīng)該與單體平均壽命相差不會太多，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(shù)量乘積，實(shí)際限制的是單體平均電壓，組內(nèi)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(nèi)阻的差異性總是客觀存在的，過充過放無法避免，并且一旦發(fā)生相關(guān)電池將很快報(bào)廢，因此就出現(xiàn)專家組測試的電動汽車動力電池組的壽命還沒有突破過百次.

　　11安全

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

　　總結(jié)這些不完全的事故信息，初步有以下推斷：

　　·長期在庫存的電池未發(fā)生過自燃和爆炸，運(yùn)輸過程中也沒出現(xiàn)自燃的；

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

　　·外部電路短路可以造成強(qiáng)電弧或使導(dǎo)線燃燒，也可以導(dǎo)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充過放；

　　·過充電可能使電池變形、失效、燃燒、甚至爆炸，過放電（反充電）一次足以使電池報(bào)廢；

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

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

　　以單體電池為動力源如移動電話，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，其差異性永不會趨于消失，而是逐步惡化的.組中流過同樣電流，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，而容量小者總是處于大電流過充過放、趨于容量衰減加快、壽命縮短，兩者之間性能參數(shù)差異越來越大，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充電和過放電過程.

　　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(qiáng)，主要為吸熱反應(yīng)，但溫度過低時(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(yù)熱可以改善充電效果.隨著充電過程不斷進(jìn)行，極化作用加強(qiáng)，溫升加劇，伴隨析氣，電極過電位增高，電壓上升，當(dāng)荷電達(dá)到約70~80%時(shí)，電壓達(dá)到最高充電限制電壓，轉(zhuǎn)入恒壓（CV）階段.理論上并不存在客觀的過充電壓閾值，若理解為析氣、升溫就意味著過充，則在恒流階段末期總是發(fā)生不同程度的過充，溫升達(dá)到40~50攝氏度，殼體形變?nèi)菀赘袦y，部分逸出氣體還可以復(fù)合，另一些就作為不可逆反應(yīng)的結(jié)果，損失了容量，這可以看作電流強(qiáng)度超出電池接受能力.在恒壓階段，有稱涓流充電，大約花費(fèi)30%的時(shí)間充入10%的電量，電流強(qiáng)度減小，析氣、溫升不再增加，并反方向變化.

　　2過充電

上述過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(nèi)其它電池已經(jīng)進(jìn)入過充電階段.過充電時(shí)，若在恒流階段發(fā)生，由于電流強(qiáng)度大，電壓、溫升、內(nèi)壓持續(xù)升高，以4V鋰為例，電壓達(dá)到4.5V時(shí)，溫升40度、塑料殼體變硬，4.6V時(shí)溫升可達(dá)60度、殼體形變明顯并不可恢復(fù)，若繼續(xù)過充，氣閥打開、溫升繼續(xù)升高、不可逆反應(yīng)加劇.恒壓階段，電流強(qiáng)度較小，過充癥狀不如恒流階段顯著.只