動力電池組特性分析與均衡管理

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、過放導致提前失效,使電池組的功能和性能指標達到或者接近單體的平均水平,對電池組中單體之間實現(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的電池組使用技術(shù),需要結(jié)合動力電池電化學模型、電子電源和計算機控制等多學科技術(shù)的最新研究成果,進行創(chuàng)新設(shè)計.

前言

被認為是未來汽車的電動汽車是電動源、電機和整車三大技術(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)不當造成的,首要原因當推過充和過放導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、計算機控制技術(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

1.2 內(nèi)阻

電池在短時間內(nèi)的穩(wěn)態(tài)模型可以看作為一個電壓源,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特性對外部充放電表現(xiàn)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(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)鋰電池充電時屬吸熱反應,放電時為放熱反應,兩者都包含內(nèi)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(xiàn)負值,充電后期,阻抗增大,釋熱多于吸熱,溫升增加,過充時,隨不可逆反應的出現(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)部反應逸出氣體導致氣壓增大,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)計了單向的防爆閥門,一方面用塑殼制造.析氣反應常伴隨著不可逆反應,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,對于動力電池側(cè)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)計數(shù)據(jù)的有效支持,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,故容量定義為小時率容量,動力電池常用1小時率(1C)或2小時率(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,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 功率

電學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載是電機控制器,電機控制器根據(jù)車速變化調(diào)整輸出功率,短時間來看,電池組驅(qū)動的是恒功率負載,這個功率變化的范圍極大,制動時有與加速時相近的反向逆變功率.

1.9 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.

1.10 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,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,在一定程度上限制了動力鋰電池的實用化進程.提供者強調(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.

1.11 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、燃燒和導致的電火,在電動汽車研發(fā)進程中,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電弧或使導線燃燒,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.

2 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.