汽车矩阵式动力电池配组的新技术按伏安特性曲线分选电池的方法

1。从表 1 数据中可以看出，两组电池的容量基本一致的情况
下，内阻一致性的误差较大。
表1
电池组
1号 电池组
1 号与 2 号电池组中单体电池数据对比
电池 内阻/ 最大 0 电压 0.2 C
编号 mΩ 功率/W 电流/A 分容
101 29.2
220
183
10.12
102 29.1
219
182
10.09
103 29.3
38.5
41.0
110 35.5
36.5
38.0
40.5
201 37.0
37.5
39.0
41.5
202 36.5
37.0
39.5
41.0
203 37.0
37.5
39.0
传统的电池分选一般是按照电池容量进行的。较为先进 的是按照充放电周期曲线，利用恒定的电流，对电池进行充放 电检测，得出充放电曲线后进行分选。因动力电池组经常工作 在不同倍率的充放电电流下，并且工作电流变化很大，按照传 统的电池分选方法很难避免分选误差。
传统分选配组技术是依据动力电池在某个或某几个特定 电压、电流条件下的电池充放电特性，分选时要按某个倍率充 放电多个周期，导致耗时长。
)，28 V(3 )，26 V(5 )，检测数据如表 2。从表 2 数据中可以 看出，按伏安特性曲线分选的电池组，放电时间长，有较高的 容量，而另一组按容量分选的电池组则放电时间短一些，容量 少一些。
(3) 相同的两个电池组—— —1 号电池组和 2 号电池组，1 电流进行放电，在不同时间段记录电池组表面温度，检测数据
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研究与设计
精度，提高配组后的动力电池组性能，延长使用寿命。
2 原理
2.1 分选方法———按伏安特性曲线分选
电池的伏安特性曲线采用非线性测量方法。 (a) 在电池的常用工作电流区间提高采样频率或减慢电 流变化率，从而获取更丰富的电压和电流数据。 (b) 在电池非常用的电流区间可采取降低采样频率，提高 电流变化率的方法获得相应数据。 (c) 通过采样数据可以分析得出，在常用工作电流区间， 伏安特性曲线中段数据丰富，为分选提供大量的参考数据，从 而进一步提高分选精度。 通过对电池的快速充放电，利用高速采样技术，在数毫秒 之内同步测量单体电池的电压和电流数据，从而绘制出一条 从过压→开路→短路→负压的伏安曲线(图 1)。同时还可以通 过过电压的测试测定单体电池的耐压性能，通过最大输出功 率点的对比，可以确定配组后电池组的最佳工作电压等指标。
1 简介
动力电池组是由单体电池组成的，电池组的寿命取决于 每一个电池的寿命，以及单体电池的动态特性是否一致，而后 者更决定了电池组的性能优劣。
单体电池的动态特性反映了电池在工作时，不同的电压 电流条件下所表现出的能量转换的能力。电池组中每个单体 电池都会受到其他电池影响。若单体电池的动态一致性不好， 在使用中，过充的更过充，过放的更过放，过热的就更热，好的 会变坏，坏的变坏更快，最终导致电池组整体性能的迅速下 降，寿命变短。因此，按照动力电池动态性能的一致性来进行
图 2 10 Ah 锂电池测量数据
U
I 图 1 伏安特性曲线
2.2 配组方法
通过测量单体电池的伏安特性曲线，将曲线重合进行比 对分析，或者对曲线上的动态特性数据点(比如开路电压、短路 电流、最大输出功率点等)进行对比分析，进而挑选动态特性曲 线一致、关键动态数据最匹配的单体电池进行配组。
由于配组中的每只单体电池的基本工作参数、性能和寿 命基本一致，不存在明显的性能差异，成组后每只动力电池均 能发挥最优性能。
———According to method of volt-ampere characteristic curve of sorting batteries
HAN Wei1, ZHANG Wei-ping2, WANG Liang1, LI Zhen-yu1, LIU Gao-qiang1
Abstract: Through the research of power battery volt-ampere characteristic curve, according to the method of consistency to sort cells which, the method was used for power battery matrix matched group. The study shows that the well performed dynamic and consistency characteristic, and simple, rapid and convenient separation were the advantages of the sorting batteries. Key words: power battery; battery pack; assembly; volt ampere curve; dynamic sorting
2.3 单体电池测试分析
(1) 工作过程如下：(a) 将电池依次放在专用电池检测设备 上，外接入电源，计算机控制电池大电流充放电；(b) 计算机控 制完成电池电压和电流的采集，生成该电池的伏安特性曲线， 将结果保存。其中：当电池充放电回路中电流为零时，对应的 电压记为电池的开路电压 OC，当电池两端电压为零时，对应 的电流记为电池的短路电流 SC；(c) 通过电池的开路电压 OC 和短路电流 SC，利用 i＝ OC/ SC 计算出电池的内阻阻值 i；通 过电压－ 电流的对应采集值利用 ＝ max{ × }计算出电池 的最大功率点 max；(d) 确定标准电池开路电压( OC)、短路电流 ( SC)、内阻阻值( i)以及最大功率点( max)的误差范围；(e) 根据 标准电池的开路电压、短路电流、内阻阻值以及最大功率点的 对比进行电池分选归类，如图 2 所示。
(1) 分选速度快：无需进行完整的电池充放电过程，仅进 行电池的大电流放电过程，且不会损坏电池，使得测试过程简 单、效率高。
(2) 分选质量高：电池分类是利用电池的开路电压、短路 电流、内阻、最大功率点，利用测试过程中的特性曲线，来综合 分选电池，使得分类更加准确。
(3) 使用方便：使用过程中可以根据实际需要选择相关参 数的结合，使得分选机制更加灵活。
研究与设计
汽车矩阵式动力电池配组的新技术
— ——按伏安特性曲线分选电池的方法
韩 伟 1， 张卫平 2， 王 亮 1， 李振宇 1， 刘高强 1 (1. 北京核心动力科技有限公司，北京 102206；2. 北方工业大学，北京 100041)
摘要：通过研究动力电池伏安特性曲线，根据其一致性来分选电池，该方法用于动力电池矩阵配组。经研究表明，通过此
4 测试结果
将两个动力电池组拿来比较，结果如下：
1 号电池组由 10 只经过伏安特性曲线分选出来的单体电
池(10 Ah)组成，分选单体误差± 5%；2 号电池组由 10 只经过
普通按容量分选方法分选出来的单体电池(10 Ah)组成，分选
单体误差± 5%。
(1) 对两组电池进行相同条件下的充放电，检测数据如表
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研究与设计
电流的充放电，容量偏差越大，单体电池的工作电流也越大， 从而加剧了电池的损坏，对电池组的寿命造成影响。
采用动态特性分选的动力电池，能提高分选精度，从而减 轻均衡的要求。根据成组电池的性能，可提高电池组寿命 50% 至 5 倍。动态特性分选特点是：
方法分选的电池具有动态特性一致性好，分选简单、快速、方便的优点。
关键词：动力电池；矩阵电池组；电池分选；伏安特性曲线；动态分选
中图分类号：TM 912
文献标识码：A
文章编号：1002-087 X(2014)12-2225-03
New technology in automobile power battery group assembly
按伏安特性曲线分选动力电池的分析配组技术，是一种 新型的动力电池动态特性分选方法。分析的是单体动力电池 在全工作条件范围内的特性。按照伏安特性曲线分选后的单 体电池，在各个工作状态下的一致性最好。
当动力电池组在不同倍率电流下工作时，其中每个单体 电池应有相同的输出功率、相同的电压与相同的内阻，才能使 整个电池组达到最优状态。通过分析电池的伏安特性曲线，来 找到不同倍率电流下的电池输出功率、电压值，以及动态电阻 等信息，依据这些丰富的数据来精准的分选电池。因此，根据 伏安特性曲线进行分选的动态分析方法，能大幅度提高分选
—
—
10.20
202 29.0
—
203 29.2
—
204 29.1
—
2号
205 28.9
—
电池组 206 29.4
—
207 29.5
—
208 29.3
—
209 28.8
—
210 28.7
—
—
10.18
—
10.19
—
10.17
—
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10.13
—
10.19
—
10.20
(2) 相同的两个电池组———1 号电池组和 2 号电池组，经 过不同倍率放电检测，放电电流及截止电位分别是：30 V(2
(2) 曲线对比及分选 利用电池伏安特性曲线，对比标准曲线，在一定误差范围 内进行分选，如图 3、图 4、图 5 所示。
图 3 单只 10 Ah 锂电池实测伏安曲线
图 4 多只同规格电池的实测伏安曲线
图 5 满足分选条件的电池的伏安曲线
3 特点
对于动力电池组配组，动态分选是不可取代的。虽然依靠 电池组均衡技术，能在一定范围内起到均衡的作用。但均衡的 过程中，对于电池组中容量偏差较大单体电池，实际就是更大
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181
10.10
104 29.2
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219
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10.10
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收稿日期：2014-11-02 作者简介：韩伟(1958—)，男，辽宁省人，教授级高工，学士，主要 研究方向为自动化。
配组就变得非常重要。 动力电池组工况复杂，工作时频繁充放电，工作电流按不
同倍率反复变化。由于电池制造过程中产生的差异，如果没有 对单体电池进行分选，就直接配组，在使用过程中必定造成个 别单体电池的过充、过放，产生状态误差，依据“木桶效应”， 会严重影响电池组的使用寿命。
表 2 1 号与 2 号电池组高倍率放电时间测量
倍率 1 号电池组(伏安特性分选) 2 号电池组(普通分选)
2C
3C
5C
2C
3C
5C
放电 26 分 14 分 5 分 25 分 13 分 4 分
时间 30 秒 22 秒 32 秒 45 秒 08 秒 31 秒
如表 3。从表 3 数据中可以看出，在 1 放电时，按伏安特性曲
作为新能源汽车产业主体的电动汽车，采用以电池、电 机、电控系统为核心的新型动力系统，与传统燃油汽车在产品 技术、产业体系、商业模式、基础设施等诸多方面都有很大区 别。
电动汽车能量的核心是动力电池组，动力电池组的性能 直接影响电动汽车的性能、行驶里程等。近几年，我国动力电 池技术进步明显，单体动力电池性能接近甚至达到国际先进 水平。但在产品方面，特别是成组系统中，动力电池的工程化 水平、成组技术、寿命、可靠性、充放电能力、能量管理与热管 理等方面，明显落后于国际先进水平。尤其在动力电池分选配 组技术方面，存在较大差距。
放电时间
20 min 30 min
37.5
39.0
37.0
38.5
37.0
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40 min 41.0 40.0 40.5 40.5 40.5 40.5
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线分选的电池组中，各个单体电池的表面温度基本一致；而按
容量分选出来的 2 号电池组中的各个单体电池的表面温度则
差异较大。
表 3 1 号与 2 号电池组 1 C 放电时
单体电池表面温度记录
℃
电池组 电池编 号
101 102 103 104 1 号 105 电池组 106
10 min 36.5 36.0 36.5 36.0 36.5 37.0