新能源汽车电池组一致性的影响因素研究

陈怀胜 徐焱然

摘要：目前每年汽车燃油消耗量占据了全世界石油总消耗量的41%左右。不可再生能源石油的不断减少和人类生存环境的日益破坏，是摆在全世界人类面前的难题。开发节能新技术和发展新能源汽车产业已成为世界上许多国家应对能源和环境问题的共同选择。大力发展新能源汽车产业是我国从汽车大国向汽车强国迈进的必经之路，是我国应对气候变化、推动绿色生态发展的英明举措。作为新能源汽车的动力源的动力电池，如何在保证电池在安全使用的同时，延长使用寿命，一直是新能源汽车中的关键技术之一。本文主要分析新能源汽车电池组一致性的影响因素研究。

关键词：储能电站;电池单体;一致性;极差电压

引言

当今社会能源危机和环境污染日益严重，科技领域的研究热点主要集中在安全、清洁、高效的能源存储和转换技术方面。动力电池是指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车等提供动力来源的蓄电池。主要种类有：阀口密封式铅酸蓄电池、敞口式管式铅酸蓄电池以及磷酸铁锂蓄电池。锂离子电池作为电能的一种存储和转换载体，其特点是几乎不会污染环境（集中处理）且具有很高的能量转化率。其充电的工作原理是：当锂离子电池接通电源充电时，锂离子由正极材料脱嵌（如钴酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂等）进入到电解液中，电解液中的电解质（如六氟磷酸锂LiPF6等）内的锂离子经隔膜定向移动到负极表面，与外电路中从正极移动过来的电子结合，同时嵌入负极材料（如石墨、硅碳、钛酸锂等）中。因为正、负极的锂离子产生浓度差、电位差，故六氟磷酸锂电解质中的锂离子开始从正极透过隔膜向负极定向运动，从而产生了电流。需要指出的是锂离子电池的放电过程正好是与此相反。

1、国内动力电池现状

新能源汽车的高速发展带动了动力电池行业的快速发展，近年来涌现出来的以宁德时代为首的中国电池企业已经处于世界领先的地位。目前，国内新能源汽车仍然是以磷酸铁锂和三元锂电池为主流，车型的续航里程基本上都能达到300km，但电池系统的能量密度水平僅为115Wh/Kg--150Wh/Kg之间。国家工信部等四部委在2017年3月，联合颁布《促进汽车动力电池发展行动方案》，指出到2020年，要求新型锂离子动力申池单体比能量超过300Wh/Kg;系统比能量力争达到260Wh/Kg。

2、电池组不一致的表现

单体电池电压不一致是电池组最直观的表现之一。尽管单体电池在初始状态时都是无缺陷的，但由于单体电池的循环充放电的效率并不相同，故造成单体电池的电压相差很大。由于不同电池生产厂家生产的电池阻抗谱差别很大，即使是同一厂家，由于制造温度和历史循环等因素的影响也会使生产出的同一类型电池之间的内阻或阻抗不一致。影响单体电池不一致的主要因素是温度不一致。电池反应与其温度变化呈指数关系，即电池温度越高，其衰减越快，这样导致电池的不一致性增大。SOC、容量及衰减的不一致性对于新能源汽车来说是最重要的三个特征，因为它们关系到电池组的可用容量和输出功率。

3、减小电池组不一致性的方法

3.1电池电压检测

BMS需要对动力电池组的总电压和各单体电池电压进行检测，现对常见的电池电压检测方法进行分析。（1）共模测量和差模测量：共模测量是指使用精密电阻等比例衰减来实现对相对同一参考点电压的测算，并分别求得不同电池对应的电压值。这种方法的特点就是操作简便，但是其测量效果很难满足需求。差模测量是通过继电器选通单节电池进行直接测量，测量精度相对较高。（2）基于继电器的采集方式电池正负极各自都是连接对应的光耦，并连接到对应的A/D芯片模拟输入2侧，单片机则主要控制继电器，从而实现单体电池电压值向数字信号的转化，然后使用单片机对这些信号进行处理。但是，这种方案需要用到大量的光继电器，占用体积大，成本较高。（3）基于专用芯片的电压检测方式使用半导体公司生产应用于电池管理系统的芯片。用于电压检测的专用芯片可以对串联的多个电池进行电压检测，当串联的电池总电压高于芯片的检测上限阈值时，可采用多个芯片来实现电压检测。每一个芯片对低于其电压检测上限阈值的串联电池进行检测，然后将每个芯片检测得到的电压值相加得到串联电池的总电压。使用这种方法可以实现大量电池串联情况的高电压检测。这种方式省去了大量光继电器，节约了开发板面积，但开发成本较高，导致应用成本上升。

3.2电池电流与电压采集电路设计

除了集中控制设计外，还要注意电流电压采集，相应的电路设计至关重要，也是电池座估计的参数保证。当前电动汽车工业发展有较高的性能要求和相应的采集电路精度要求。大多数电池使用4芯锂离子电池，单个电池的电压为3.2V，其最大电压为3.65v，因为主控制器的A/D转换通道接口能够支持的最大电压为3.3V，因此必须保证精度，以确保单部件转换接口的安全性传感器分别连接到电池块的正端和负端，收集到的数据在显示在上级计算机上之前被转换为信号传输到主控制器。在设计总电压获取电路时，需要具体说明目前最常用的电压检测方法，如电阻电压分离、过流电容器、计算放大器差动放大方法等。电阻电压分离最适用于单电池电压采集。虽然累计误差是无法避免的，但它的负面影响可以被忽略。

3.3定时对电池组的整体状况进行检测探究

一是保证电池正常工作，及时清洗电池盖和电弧焊柱，保证表面清洁，污染源附在上面的，合理应用压缩空气法保证表面清洁。此外，必须确保电池组件的整个外壳没有损坏，并且没有变形问题。此外，有必要关闭托盘和整个电池盖系统，对电池和车身进行严格和严密的处理，以确保电池在车体运行期间保持稳定。然后定期检查电池的连接状态。为了保证电池双极缸电缆连接的稳定性，不要出现过松问题，保证电池连接点与温度采集端口、电压等之间的安全接触。整个电池，避免腐蚀和锈蚀问题。充电时应选择合适的插座和插座，确保两者之间的有效接触，避免线路板拉伤等问题。最后，电池组应迅速检测到漏电情况。电池组电压相对较高，通常为300 v直流电压，因此必须保证汽车和电池的绝缘和驾驶员的安全。

3.4电池的均衡控制

BMS系统的电源管理功能中，电池平衡控制管理最为困难。每个单独电池的初始容量、内部阻力和自放电率参数因生产工艺或材料使用不均衡而异。随着电池寿命的延长，初始差异越来越大，不适当的操作温度会导致电池不一致，从而产生共振效应，即更快地消耗性能最差的电池，加速电池寿命的老化，缩短电池寿命，以及目前，主要均衡方法分为被动均衡和主动均衡两种方法。（1）负债（载？）平衡。被动平衡是指通过使用分散组件（如电阻）来实现电池中每个电池的负载平衡目标而消耗的高负载电池。被动平衡具有分散电流，可能导致能量和热量损失，电路的热效应在不一致情况严重时可能进一步损害块——电池——（？）的稳定性，但由于结构简单、易于控制和成本低，仍然是工业控制中最常见的平衡手段。2主动平衡是指使用电源存储组件和开关组件将高负载电池的能量转移到低负载电池，以平衡电池中每个单独电池的能量。主动平衡可提高能效，增加单个电池充电的使用时间，但主动平衡控制逻辑复杂且成本高昂，实际上在能量转换过程中存在损耗。

结束语

影响电池组的不一致性的主要因素是温度和库仑效率。温度的控制需要有较好的电池组热管理，将温差控制在5摄氏度内，其电池组的不一致性有较大的改观。新能源汽车电池组的不一致性研究还有很多方向需要进深入系统的研究，例如：生产材料的物理特性导致不一致性的研究，对单体电池寿命二维尺度衰减的机理分析的实验验证，单体电池功率输出不一致性的研究，电池组的连接方式不一致性研究。

参考文献：

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