不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析

第26卷　第7期2006年7月北京理工大学学报
T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26　No .7Jul .2006
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.关键词:电动汽车;动力电池;不一致性;使用寿命中图分类号:U 469.72;U 463.63 文献标识码:A
An Analysis on the Influence of Inconsistencies Upon
the Service Life of Power Battery Packs
WANG Zhen -po ,　SUN Feng -chun ,　LIN Chen
(School of M echanical and Vehicular Eng ineering ,Beijing I nstitute of Technology ,Beijing 100081,China )
A bstract :To ex press the influence upon the service life of battery packs coming from cell inconsistency ,the sources leading to cell inconsistency are analy zed ,i .e .those coming from the manufacture and application of the battery .Based on the data of battery service life tests ,a mathematical model of the battery pack under the influences on c ell inconsistency is established .At the same time a loss coefficient in battery capacity is defined .Throug h theoretical analy sis and vehicular operation the im portance of improving cell consistency and refinements in packing technology are verified .M aintenance safeguards during the application and maintenance of battery packs are put forw ard so as to prolong the service life .
Key words :electric vehicle ;pow er battery ;inconsistency ;service life 收稿日期:200511
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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 .
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
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.
1　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:①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;②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.
2　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
C n=1-
nP
N
C0.(1)
式中:C n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
Fig.1　Curves show ing the service l ife of2kinds of pow er packs
由于不一致性在电池组各电池间绝对存在,在
电池组使用中部分单电池由于相对容量小、内阻大,
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
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
C i=f i-1(ΔC i-1)C i-1.(0≤f i-1(ΔC i-1)≤1)
(2)
式中:C i为循环使用到第i次时电池的容量值;
ΔC i-1为第i-1次相对于第i-2次使用后的容量
差;f i-1(ΔC i-1)为第i次使用时电池过充、过放容
量损伤系数,是ΔC i-1的函数.
由式(2)可以推论得到
C i=f i-1(C i-1-C i-2)f i-2(C i-2-C i-3)×
…×f i(C1-C0)C0.(3)
令f(ΔC)=max{f i-1(C i-1-C i-2),
f i-2(C i-2-C i-3),…,f1(C1-C0)},
则在不一致性影响下电池组第i次使用时,理想的
电池组容量为
C i=f i(ΔC)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)=f n(ΔC)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
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.
3　容量衰减系数的影响因素
①电池组使用工况.主要包含电池组的充电
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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.
②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联连接方式的.
③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响,从而影响电池的使用寿命.
④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 (ΔC )=0.999.根据公式(5),此电池第n 次循环实际容量可以表示为
C n =0.999
n
1-nP
N C 0.
(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(0.8C 0)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1200次时成组使用的动力电池组使用寿命.计算结果如表1.
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命的提高不成正比增加,单电池使用寿命提高1倍,电池组使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 the battery pack under
different cell service life
序号单电池使用寿命/次
电池组使用寿命/次
130013226001673
1200
191
在上述计算中损伤系数f i -1(ΔC i -1)取为定常
系数,并取最大值.而实际上f i -1(ΔC i -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.
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1000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]
.
单纯提高单电池使用寿命对电池组使用寿命的提高非常有限,必须提高电池成组运用技术,改善电池组工作环境和使用工况,增加电池在使用中的维护和保养才能有效提高电池组的使用寿命.
5　提高电池一致性的措施
从以上分析可知,即使在单电池技术取得重大
突破、性能显著提高的前提下,提高电动汽车性能,特别是增加续驶里程和提高电池组使用寿命的关键就是提高动力电池的成组运用技术,尽可能提高和保证动力电池的一致性.
根据动力电池应用经验和试验研究,从电池使用和成组筛选等方面可以采用8项措施,避免电池不一致性扩大,保证电池组寿命逐步趋于单电池的使用寿命.
①提高电池制造工艺水平,保证电池出厂质量,
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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
尤其是初始电压的一致性.同一批次电池出厂前,以电压、内阻及电池化成数据为标准进行参数相关性分析,筛选相关性良好的电池,以此来保证同批电池性能尽可能一致.
②在动力电池成组时,务必保证电池组采用同一类型、同一规格、同一型号的电池组成.
③在电池组使用过程中检测单电池参数,尤其是动、静态情况下(电动汽车停驶或行驶过程中)电压分布情况,掌握电池组中单电池不一致性发展规律,对极端参数电池进行及时调整或更换,以保证电池组参数不一致性不随使用时间而增大.
④对测量中容量偏低的电池,进行单独维护性充电,使其性能恢复.
⑤间隔一定时间对电池组进行小电流维护性充电,促进电池组自身的均恒和性能恢复.
⑥避免电池过充电,尽量防止电池深放电.
⑦保证电池组良好的使用环境,尽量保证恒温,减小振动,避免水、尘土等污染电池极柱.
⑧研制开发实用性电池组能量管理和均衡系统,对电池组充放电进行智能管理.
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(责任编辑:李玉丹)
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