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1、動力電池組特性分析與均衡管理陳守平,張軍,方英民,梁毅摘要:電池組有區(qū)別于單體電池的額外特性,基于目前的動力電池設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平,單體之間的性能差異在其整個生命周期里客觀存在,要想避免單體由于過充、過放導(dǎo)致提前失效,使電池組的功能和性能指標(biāo)達(dá)到或者接近單體的平均水平,對電池組中單體之間實(shí)現(xiàn)均衡控制和管理是必由之路.電池組均衡管理是一門先進(jìn)的電池組使用技術(shù),需要結(jié)合動力電池電化學(xué)模型、電子電源和計(jì)算機(jī)控制等多學(xué)科技術(shù)的最新研究成果,進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì).關(guān)鍵詞:鋰離子電池、動力電池組、蓄電池組、電池組使用技術(shù)、均衡控制、電池組管理0前言??被認(rèn)
2、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
3、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.1動力電池主要性能參數(shù)1.1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.1.2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電壓源,
4、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)之一.1.3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),
5、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.1.4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.1.5電量??電學(xué)里,電量用Wh表示,是能量單位,一度電
6、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?其全程變化量可達(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.1.6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
7、,指示的荷電程度總是非線性變化.1.7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,在整個生命期里,電池的活化和劣化過程是一個問題的兩個方面,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).1.8
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)
