单体电池一致性对电池组性能的影响

        动力电池组为满足电动汽车的能量需求,往往需要数十支到数千支电池组成,受到系统复杂性的影响,电池组的行为有其独特性,并不是单体电池的做一个简单的加减法就能够获得电池组的性能。以我们常见的串联、并联组成的电池组为例,理想情况下所有电池组中的单体电池应该是完全一致的,但是实际上即便是同一批次生产的单体电池仍然具有性能的差异(包括容量、内阻等因素),虽然在组成电池组之前会进行筛选,仍然无法保证所有电池性能100%一致,此外受到电池组体积的影响,不同部分的散热特性也有较多的差异,因此电池组在温度分布上也存在较大的温度梯度,上述种种因素会导致电池组内的电池在使用过程中的衰降速度并不一致,这种情况下一方面会造成电池组的可用容量下降(受到电池组中串联电池的最小容量的限制),另一方面也可能会导致电池组安全性降低。研究显示即便是单体电池循环寿命可达1000次以上,在组成电池组时,如果没有均衡设备的保护,电池组的循环寿命可能不足200次,因此对于电池组而言,单体电池的一致性是一个非常重要的参数。

        中国上海理工大学的Long Zhou, Yuejiu Zheng, Minggao Ouyang, Languang Lu四人对单体电池一致性对电池组性能的影响进行了定量的分析。实验中Long Zhou利用了模型和实验相结合的方法,分析单体电池的SoC、内阻、容量等因素的不一致性对电池组性能的影响。

        一般而言,单体的电池的不一致性包括温度、电压、SoC、容量、内阻等方面,Long Zhou认为如果考虑时间因素对电池的影响,单体电池的不一致性还应该包含自放电、库伦效率、容量衰降速度、内阻增加速度等因素,下图反映了这些因素之间相互之间的关系。作者将它们分为了三个大类,第一是初始因素,例如最初的容量、SoC等;第二是现在的因素,如现在的容量、电压、SoC等因素;第三类是时间累积因素,例如容量衰降速度、内阻增加速度、库伦效率。现在因素决定了电池组的性能,例如现在的容量、SoC等决定了电池组的输出能量,而内阻等因素则直接决定了电池组的输出功率。而时间积累因素决定了电池未来的一致性。这些因素之间又会相互影响,构成复杂的关系网,

        Long Zhou以可用容量作为参数对影响电池组一致性的各个因素对电池组的性能的影响进行了定量的分析。对于串联电池组而言,电池组的可用容量受到电池组中容量最小的单体电池的限制,例如在放电的时候,当容量最小的电池到达截止电压时,即便其他串联电池仍然有剩余容量也不能再进行放电,否则就会导致容量最小的电池发生过放,造成电池性能急剧衰降。充电过程中,同样受到容量最小电池的限制,因此电池组的可用容量可用下式进行计算。

        从上式中可以注意到,电池组的可用容量一般小于电池组中容量最小的单体电池。电池组的容量衰降一般而言主要由三部分构成,第一部分是,部分单体电池容量不能被充分利用,这一般可以通过均衡等措施解决。第二部分是因为单体电池容量不一致,一般是单体电池的初始容量不一致或者容量衰降速率不一致造成,需要进行更加复杂的实时均衡技术进行解决。第三部分是电池组在循环过程中正常的容量衰降,这主要与单体电池组的循环性能有关。

结论

        各种因素不一致性对电池组性能的影响如下图所示,可以看到电池的初始容量和初始SoC等因素对电池组的影响较小,而电池的库伦效率、温度、内阻升高、自放电速率的不一致性才是造成电池组性能下降的主要原因,因此这些因素也是我们在对电池组中的电池进行匹配时需要特别关注的。同时,从前面的分析,也可以看到在电池组中比较简单的耗散型均衡系统已经基本能够满足正常的使用需求,因此没必要在电动汽车电池组中运用复杂的实时非耗散型均衡系统。

source:http://www.juda.cn/news/97951.html

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