動(dòng)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(dòng)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(gè)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(duì)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(dòng)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).

前言

被認(rèn)為是未來汽車的電動(dòng)汽車是電動(dòng)源、電機(jī)和整車三大技術(shù)的結(jié)合體,電動(dòng)源是電動(dòng)汽車的核心部件,目前已經(jīng)形成動(dòng)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(dòng)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(cè)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(huì)產(chǎn)生差異,使得鋰動(dòng)力電池的使用技術(shù)問題迫在眉睫,而且必須盡快解決.

動(dòng)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(dòng)力電池特性、電子電源、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)研究動(dòng)力電池組的使用技術(shù),探討動(dòng)力電池組的均衡控制和管理.

1 動(dòng)力電池主要性能參數(shù)

1.1 電壓

開路電壓=電動(dòng)勢(shì)+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(dòng)勢(shì)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(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(lì)信號(hào)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(duì)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(zhǎng)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),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,一度電等于1kWh,電池常用Ah計(jì)算電量,對(duì)于動(dòng)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(dòng)力驅(qū)動(dòng)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?cè)谑褂弥凶铌P(guān)心的、也是最不易獲得的參數(shù)數(shù)據(jù),人們?cè)噲D通過測(cè)量?jī)?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

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(dòng)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).

1.8 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(dòng)汽車用動(dòng)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(dòng)的是恒功率負(fù)載,這個(gè)功率變化的范圍極大,制動(dòng)時(shí)有與加速時(shí)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(duì)于電動(dòng)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(dòng)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.

1.10 壽命

單體電池壽命定義和測(cè)試程序已被人們普遍接受并形成許多標(biāo)準(zhǔn),測(cè)試壽命時(shí),可保證不過充、過放,也就不會(huì)提前失效,與單體不同,電池組的壽命測(cè)試目前的做法不科學(xué),在一定程度上限制了動(dòng)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(huì)太多,測(cè)試人員模擬電池組使用情況,用對(duì)單體電池相同的方法測(cè)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(duì)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(cè)試的電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組的壽命還沒有突破過百次.

1.11 安全

動(dòng)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(dòng)汽車研發(fā)進(jìn)程中,發(fā)生過多次起火事件,對(duì)電動(dòng)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(dòng)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(chǎng)很難到場(chǎng),總結(jié)這些不完全的事故信息,初步有以下推斷:
· 長(zhǎng)期在庫(kù)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(cè)試.

總之,電池的正確使用技術(shù)是非常重要的.

2 動(dòng)力電池組充放電特性

以單體電池為動(dòng)力源如移動(dòng)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(huì)趨于消失,而是逐步惡化的.組中流過同樣電流,相對(duì)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(zhǎng),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.