新能源汽車電池組一致性的影響因素研究

湖南石油化工職業技術學院機電工程學院 劉 應

目前每年汽車燃油消耗量占據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境的日益破壞，是擺在全世界人類面前的難題。開發節能新技術和發展新能源汽車產業已成為世界上許多國家應對能源和環境問題的共同選擇。大力發展新能源汽車產業是我國從汽車大國向汽車強國邁進的必經之路，是我國應對氣候變化、推動綠色生態發展的英明舉措。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。本文介紹了電池組容量的定義及電池組一致性的影響因素，解釋了電池組的使用壽命小于單體電池的原因。

當今社會能源危機和環境污染日益嚴重，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換載體，其特點是幾乎不會污染環境（集中處理）且具有很高的能量轉化率。其充電的工作原理是：當鋰離子電池接通充電電源時，鋰離子由負極材料脫嵌（如石墨）進入到六氟磷酸鋰（LiPF6）電解質中，此刻產生的電子在正極附近進入到負極集流體中，六氟磷酸鋰電解質內的鋰離子與正極集流體帶入的電子結合，同時嵌入正極材料（如磷酸鐵鋰LFP）。因為正、負極的鋰離子產生濃度差，故六氟磷酸鋰電解質中的鋰離子開始從正極透過隔膜向負極運動，致使電子在鋰離子電池內部運動從而產生了電流，此時電池開始充電。需要指出的是鋰離子電池的放電過程正好是與此相反。

1 國內動力電池現狀

新能源汽車的高速發展帶動了動力電池行業的快速發展，近年來涌現出來的以寧德時代為首的中國電池企業已經處于世界領先的地位。

目前，國內新能源汽車仍然是以磷酸鐵鋰和三元鋰電池為主流，車型的續航里程基本上都能達到300km，但電池系統的平均能量密度水平僅為115Wh/Kg左右。國家工信部等四部委在2017年3月，聯合頒布《促進汽車動力電池發展行動方案》，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；系統比能量力爭達到260Wh/Kg。

2018年全國乘用車（含EV、PHEV）動力電池市場呈現快速增長。2018年國內三元電池裝機30.7GWh，同比增長92%。2018年國內三元電池裝機30.7GWh，占比54%。2015-2020年動力電池空間及測算如圖1所示，2020-2025年動力電池需求量如圖2所示。

圖1 2015-2020年動力電池空間及測算

圖2 2020-2025年動力電池需求量

2 車用電池組

目前新能源汽車的基礎研究想獲得突破性的進展的關鍵技術是如何改進鋰單體電池的改性和電池新材料的研究上。由于單體鋰電池的容量和電壓較小，電動汽車要達到足夠大的功率、滿足加速、爬坡、續航里程等要求，就必須把成百上千個的單體鋰電池通過合理的串并聯（串聯得到高電壓，并聯得到高容量）形成電池組系統。

新能源汽車性能的好壞不是由單體電池決定，而是由電池組的性能和參數決定。需要指出電池組不是單體電池單純的利用相似原理簡單的按照比例擴大，而是要匹配電池組的體積大小，質量、電壓、容量等參數。單體電池組成電池組以后，其耐久性、能量密度和安全性等特性都有有所下降，此時電池組體現的特征已經不能用相似原理去解釋。

在電池組系統中，不但提供了單體電池工作空間，還需要監測和記錄單體電池的溫度、電壓、荷電狀態（SOC）、功能狀態（SOF）和健康狀態（SOH），還要保證單體電池的電化學工作環境，防止單體電池發生過度充電、過度放電、電流過大等濫用行為。

3 車用電池組系統的功能和組成

在電池組系統中，需要找到能及時發現單體電池有可能存在的安全技術隱患并且能提對應的解決方案，減小單體電池之間的差異，從而達到延長電池組使用壽命的目的。除此之外，電池組系統還需要做到小型化，輕量化，以此保證所選用單體電池能在體積和能量密度等參數上具有較強的優勢。

電池組系統的組成包括：外殼，串并聯電池組，電池管理系統，安全系統，熱管理系統，充電系統。

4 單體電池壽命影響因素

單體電池壽命問題的兩種表現：其一為容量的衰減，其二為內阻的增大。本文主要介紹容量衰減，分為可逆容量損失和不可逆容量損失兩種。研究表明對于鋰電池系統，以上兩種容量損失在電池靜置和循環過程中的容量大小是相當的。

按照控制理論觀點，將電池模型分為白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。

白箱模型主要指用電化學過程中的偏微分方程模型，此類模型方程用來描述傳質過程和電化學過程，其求解方法是有限元法，缺點是該模型較為復雜。

灰箱模型主要是指等效電路模型，此類模型能保證可靠的精度的同時使計算量大為降低。但是等效電路模型的精度比電化學模型低，故提高該模型的精度已成為目前主要研究方向。

黑箱模型主要是指神經網絡模型，此類模型能通過輸入、輸出的訓練和自我學習，實現電池的狀態估計和管理，主要用在故障診斷方面。

5 電池組不一致的表現

單體電池電壓不一致是電池組最直觀的表現之一。盡管單體電池在初始狀態時都是無缺陷的，但由于單體電池的循環充放電的效率并不相同，故造成單體電池的電壓相差很大。

由于不同電池生產廠家生產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等因素的影響也會使生產出的同一類型電池之間的內阻或阻抗不一致。

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。

6 減小電池組不一致性的方法

電池組通常采用均衡的方法來減小不一致性。均衡的方法有能耗式均衡和能量轉移式均衡兩種。對小型電池組來說，由于其電池組較小，一般采用能耗式均衡法。對于新能源汽車電池組，由于能耗式均衡法的效率低下且速度緩慢，故采用能量轉移式均衡。

7 總結與展望

由于單體電池電壓和容量很小，新能源汽車需要把成百上千個單體電池串并聯組成電池組。由于電池的生產環境和制造工藝不一致，所以單體電池存在著不可消除的不一致性，其組成電池組后，它們的安全性、耐久性和能量密度等都會因為單體電池間的不一致而導致發生變化。

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，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的研究，例如：生產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。