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（如六氟磷酸鋰LiPF6等）內的鋰離子經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、負極的鋰離子產生濃度差、電位差，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定向運動，從而產生了電流。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。

2、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。

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，從而實現單體電池電壓值向數字信號的轉化，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應用于電池管理系統的芯片。用于電壓檢測的專用芯片可以對串聯的多個電池進行電壓檢測，當串聯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電壓檢測。每一個芯片對低于其電壓檢測上限閾值的串聯電池進行檢測，然后將每個芯片檢測得到的電壓值相加得到串聯電池的總電壓。使用這種方法可以實現大量電池串聯情況的高電壓檢測。這種方式省去了大量光繼電器，節約了開發板面積，但開發成本較高，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保證。當前電動汽車工業發展有較高的性能要求和相應的采集電路精度要求。大多數電池使用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，收集到的數據在顯示在上級計算機上之前被轉換為信號傳輸到主控制器。在設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，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定。然后定期檢查電池的連接狀態。為了保證電池雙極缸電纜連接的穩定性，不要出現過松問題，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、內部阻力和自放電率參數因生產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，不適當的操作溫度會導致電池不一致，從而產生共振效應，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——（？）的穩定性，但由于結構簡單、易于控制和成本低，仍然是工業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，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。

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