不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析

（ ） C1=
0.
999 1
1
-
1P N
C0
.
（6 ）
以此为基础，根据国内外相关标准，按电池的实
际容量衰减到 80% 额定容量（0. 8 C0 ）时为寿命终 止［9 ］.分别计算正常放电深度（DOD）为80% ，单电 池循环寿命为300 次、600 次和1 200 次时成组使用 的动力电池组使用寿命.计算结果如表1 .
序号
单电池使用寿命／次
电池组使用寿命／次
1
300
132
2
600
167
3
1 200
191
在上述计算中损伤系数fi-1（ACi-1 ）取为定常 系数，并取最大值.而实际上fi-1（ACi-1 ）也是一 个急剧衰减的时变函数，根据前述不一致性扩大原 因分析及电动汽车实际行驶试验，电池不一致性将 导致电池组内其它单体发生多米诺骨牌效应式的连 锁反应.因此，若不对电池组进行及时维护，其实际 使用寿命将缩短为单电池寿命的几分之一甚至十几 分之一.
c0
.
（1 ）
式中：cn 为经过n 次循环后电池的实际容量；N 为
电池使用寿命；P 为电池到达使用寿命后容量衰减
百分比；c0 为电池初始容量.
图1 两种动力电池单体使用寿命测试曲线
Fi g .1 Curves showi ng t he service lif e of 2 ki nds of power packs
联连接方式的. ＠ 电池组的使用环境.主要包括环境温度、振
动特性等.高于或低于电池最佳工作温度都将对其 使用寿命产生不利的影响.由于电池在车辆上的布 置位置不同，通风和散热环境存在差别，电池工作在
不同的温度环境内，将扩大电池间的不一致性，从而
影响电池组的使用寿命.车辆行驶时产生的振动将 对电池连 接、极 板 固 定、电 解 液 流 动 产 生 直 接 的 影
散越快，电池组容量衰减也越快.
4 电池组使用寿命实例分析
根据不一致性对电池组使用寿命影响的数学模 型及容量衰减系数的影响因素分析可知，容量衰减 系数是随电池使用工况、环境等因素变化而变化的 参数.在下述计算中假定容量衰减系数为定值，并 且f（AC）= 0. 999 .根据公式（5 ），此电池第1 次循 环实际容量可以表示为
由蓄电池不一致性形成的原因，可知蓄电池之 间的一致性是相对的，不一致性是绝对的.区别于 传统的蓄电池应用领域，蓄电池在电动汽车上作为 移动性的电力能源，长期在振动环境下，随车辆实时 功率需求放电工作，并且电池组必须耐受电动汽车
长期大电流，深放电的使用要求.因此蓄电池在电 动汽车上的应用环境恶劣，不一致性表现程度以及 对电池组使用寿命的影响明显.
用的电池组比浅放电工况的电池寿命短；充放电功
率超出最佳充放电电流也会影响电池组使用寿命. 因此纯电动汽车长期大电流、深放电的工作特性决
定电池组的容量衰减系数较大. ＠ 电池组的连接方式.不同的连接方式将导
致电池组 的 连 接 内 阻、组 间 电 池 容 量 自 消 耗 不 同. 电池单体先并联可有效促进并联单体电池间的容量 自均衡，并保证电池组连接的可靠性［8 ］.因此这种 连接方式的电池组，容量衰减系数小于先串联后并
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北京理工大学学报
第 26 卷
! 电池不一致性形成原因分析
蓄电池不一致性的产生有两方面原因：!在制 造过程中，由于工艺问题和材质的不均匀，使电池极 板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差 别，这种电池内部结构和材质上的不完全一致性，就 会使同一批次出厂的同一型号电池的容量、内阻等 参数值不可能完全一致；"在装车使用时，由于电池 组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解 液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池电 压、内阻及容量等参数的不一致性［5 -6 ］.
由计算结果可见，电池组使用寿命明显低于单
电池使用寿命，单电池使用寿命与电池组使用寿用寿命仅提高几十次.
表1 单电池不同使用寿命情况下动力电池组 理论使用寿命
Tab .1 Theoretical service life of t he battery pack under different cell service life
此，不一致性对动力电池组使用寿命影响的研究将 有助于动力电池在使用中发挥最大效能，提高电动 汽车的行驶性能［1 -2 ］!此方面的研究在国内外相关 文献中均为定性分析，没有建立数学模型［3 -4 ］!
作者在试验基础上提出了不一致性对动力电池 组使用寿命影响的数学分析模型，并通过试验得到 了验证!
收稿日期：2005 11 24 基金项目：北京市科技计划项目（D0305002040211 ） 作者简介：王震坡（1976 - ），男，博士，讲师，e- mail ：wangzhenpo !bit .edu .cn .
池的使用寿命.提高电池组的使用寿命应从提高电 池一致性和容量衰减系数的角度考虑，研究电池成
组运用技术，使电池组使用寿命逐步趋于单电池的
使用寿命.
# 容量衰减系数的影响因素
! 电池组使用工况.主要包含电池组的充电
第7 期
王震坡等：不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析
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方式、放电功率和放电深度.过充电、过放电都将严 重影响电池组的使用寿命；长期在深放电工况下使
充放电功率超出最佳充放电电流也会影响电池组使用寿命因此纯电动汽车长期大电流深放电的工作特性决定电池组的容量衰减系数较大不同的连接方式将导致电池组的连接内阻组间电池容量自消耗不同电池单体先并联可有效促进并联单体电池间的容量自均衡并保证电池组连接的可靠性因此这种连接方式的电池组容量衰减系数小于先串联后并联连接方式的主要包括环境温度振动特性等高于或低于电池最佳工作温度都将对其使用寿命产生不利的影响由于电池在车辆上的布置位置不同通风和散热环境存在差别电池工作在不同的温度环境内将扩大电池间的不一致性从而影响电池组的使用寿命车辆行驶时产生的振动将对电池连接极板固定电解液流动产生直接的影响从而影响电池的使用寿命由于电动汽车类型和使用条件限制对电池组功率电压等级和额定容量的要求存在差别电池组单体数量存在很大的差异即使参数要求相似由于电池类型不同所需的电池数量也存在较大的差别总体看来单体数量越多电池一致性差别越大在使用中不一致性扩散越快电池组容量衰减也越快电池组使用寿命实例分析根据不一致性对电池组使用寿命影响的数学模型及容量衰减系数的影响因素分析可知容量衰减系数是随电池使用工况环境等因素变化而变化的参数0999
上述计算结果在北京市公交示范线示范运行的 电动汽车上得到了验证.经厂家及权威检测部门检 测，单电池寿命400 次以上的铅酸电池和1 000 次 以上的锂离子电池在充放电使用约100 次和150 次 后容量出现了严重衰减.抽检的部分单电池容量已 低于电池额定容量的80% .在相关文献中也有类似 的结论［10 -11 ］.
关键词：电动汽车；动力电池；不一致性；使用寿命
中图分类号：U469. 72 ；U463. 63
文献标识码：A
An Anal ysis on t he infl uence of inconsist encies Upon t he service lif e of Power batt ery Packs
第26 卷 第7 期
北京理工大学学报
Vol .26 No .7
2006 年7 月
Transacti ons of Beiji ng I nstit ute of Technology
Jul . 2006
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减.因此定义电池组的容量衰减系数，即第i 次使 用时，受损伤电池容量可以表示为
ci= fi-1（#ci-1 ）ci-1 .（0 !fi-1（#ci-1 ）!1 ）
（2 ）
式中：ci 为 循 环 使 用 到 第i 次 时 电 池 的 容 量 值；
#ci-1 为第i-1 次相对于第i-2 次使用后的容量
电池组容量为 ci= fi（#c）c0 .
（4 ）
综合考虑电池第 n 次使用理论容量公式和不
一致性影响下电池容量衰减公式，可得电池第 n 次
使用后实际容量表达式：
（ ） c（n）=
fn（#c）1
-
nP N
c0
.
（5 ）
因为电池组各电池间不一致性的存在是绝对
的，所以容量衰减系数的存在也是绝对的.从式（5 ） 可知，电池组的使用寿命永远小于寿命最短的单电
由于不一致性在电池组各电池间绝对存在，在
fi-2（ci-2 - ci-3 ），…，f1（c1 - c0 ）｝，
电池组使用中部分单电池由于相对容量小、内阻大， 则在不一致性影响下电池组第i 次使用时，理想的
在正常充放电情况下，充放电深度相对较大，并且容
易出现过充和过放现象.由于此部分单体电池的影 响，导致电池组的实际容量受到影响，加速了容量衰
文章编号：1001- 0645（2006 ）07- 0577- 04
不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析
王震坡， 孙逢春， 林程
（北京理工大学 机械与车辆工程学院，北京 100081 ）
摘 要：以明确电池不一致性对动力电池组使用寿命的影响为目标，分析了在制造和使用过程中动力电池不一致
性的形成原因. 在电池使用寿命试验数据分析的基础上，提出并建立了动力电池组不一致性对使用寿命影响的数 学模型，定义了不一致性影响下的电池容量损伤系数. 通过理论分析和示范运行证明了提高一致性及电池成组技 术研究的重要性. 在电池成组技术、使用维护方面提出了延长电池组使用寿命的动力电池维护措施.
响，从而影响电池的使用寿命. ＠ 电池组中单体电池数量.由于电动汽车类
型和使用条件限制，对电池组功率、电压等级和额定
容量的要求存在差别，电池组单体数量存在很大的
差异.即使参数要求相似，由于电池类型不同，所需 的电池数量也存在较大的差别.总体看来，单体数 量越多，电池一致性差别越大，在使用中不一致性扩
差；fi-1（#ci-1 ）为第i 次使用时电池过充、过放容
量损伤系数，是 #ci-1 的函数.
由式（2 ）可以推论得到
ci= fi-1（ci-1 - ci-2 ）fi-2（ci-2 - ci-3 ）>
…> fi（c1 - c0 ）c0 .
（3 ）
令f（#c）= max｛fi-1（ci-1 - ci-2 ），
Key words ：electric vehicle ；power battery ；i nconsistency ；service lif e
在现有的动力电池技术水平下，电动汽车必须 使用多块电池构成的电池组来满足使用要求!由于 同一类型、同一规格、同一型号电池间在电压、内阻、 容量等方面的参数值存在差别，即电池性能存在不 一致性，使动力电池组在电动汽车上使用时，性能指 标往往达不到单电池原有水平，使用寿命缩短数倍 甚至十几倍，严重影响其在电动汽车上的应用!因
" 不一致性与动力电池组使用寿命关 系数学模型
二次电池使用寿命定义为：一定的充放电率下电
池容量衰减为额定容量某个百分比时充放电循环次
数［7 ］.据此定义，参考实际电池使用寿命测试数据 和曲线（见图1 ），假设电池每次充放电容量衰减为 定常线性函数，经n 次循环后，电池容量可表达为
（ ） cn=
1
-
nP N
Abstract ：To express t he i nfl uence upon t he service lif e of battery packs co mi ng f ro m cell i nconsistency ，t he sources leadi ng to cell i nconsistency are anal yzed ，i . e . t hose co mi ng f ro m t he manuf act ure and applicati on of t he battery . Based on t he data of battery service lif e tests ，a mat he matical model of t he battery pack under t he i nfl uences on cell i nconsistency is established . At t he sa me ti me a loss coefficient i n battery capacit y is defi ned . Through t heoretical anal ysis and vehicular operati on t he i mportance of i mprovi ng cell consistency and refi ne ments i n packi ng technology are verified . mai ntenance saf eguards duri ng t he applicati on and mai ntenance of battery packs are put f or ward so as t o prolong t he service lif e .
WANG zhen- po ， SUN Feng-chun ， LI N chen
（School of mechanical and Vehicular engi neeri ng ，Beiji ng I nstit ute of Technology ，Beiji ng 100081 ，chi na ）