电动汽车锂离子电池组不一致性分析

科技创新导报２００９　　ＮＯ．２５

工　程　技　术

电动汽车锂离子电池组不一致性分析

初超　　齐铂金　　杜晓伟

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院　　北京　　１００１９１）

摘　要：锂离子电池不一致性是影响其使用的重要指标，为分析锂电池的不一致性，对８Ａｈ锂离子电池组进行常温下１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ充放电实验。实验结果显示：锂电池组的不一致性比较明显；提出了一种基于锂电池组整体离散度和单体离散度分析锂电池组不一致性的方法。关键词：锂离子电池　　不一致性　　离散度中图分类号：ＴＭ９１０文献标识码：Ａ文章编号：１６７４－０９８Ｘ（２００９）０９（ａ）－０１１２－０

２

电动汽车锂离子电池组在长期充放电过程中，由于电池组内各单体电池间充电接受能力的差异、自放电率的差异、容量衰减速率的差异，电池组内各单体荷电量差距越来越大，呈发散趋势，容易造成电池组内部电池离散性加大，个别电池性能衰减加剧，而导致整组电池失效［１］。

当前的均衡设计大多都是通过单体开路电压来判断电池的不一致性，但在电池充放电过程中单体电压波动比较大，容易导致误判。本文通过对锂离子电池组进行充放电实验分析，建立了合理的锂电池组不一致性判定方法。

１　锂离子电池组充放电实验

以８０只锰酸锂蓄电池串联组成的电池组（８Ａｈ，潍坊产）作为实验对象。采用迪卡龙设备对其进行充放电实验。在实验过程中，采用电池管理系统（ＢＭＳ）监测电池组各

单体电池的单体电压和荷电状态（ＳＯＣ）、电

池组的总电压、电池温度、电流［２］。１．１充放电实验设计

常温下，采用先恒流后恒压的充电模式。电流大小分别为１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ，迪卡龙设备控制串联电池组总电压达到３４０Ｖ时，转入恒压充电阶段。当充电电流小于２Ａ时，充电停止；同时通过ＢＭＳ监测当电池组中单体电池的最高电压达到４．３Ｖ时［３］，充电停止。

常温下，采用恒流放电模式。电流大小分别为１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ，同时通过ＢＭＳ监测当电池组中单体电池的最低电压达到３Ｖ时，放电停止。１．２实验结果分析

实验过程中，ＢＭＳ每一秒保存一次监测数据。锂电池组在小电流充放电情况，锂电池组一致性较好；而在大电流充放电情况下，电池的一致性变差。以２Ｃ充电实验数据为例，对锂电池组进行分析。实验数据显示，由于７号单体电池达到

４．３Ｖ，２Ｃ充电实验停止。取监测数据中各单体电池的单体电压，计算其平均电压Ｅ；如图１所示为７号单体电池电压和平均电压Ｅ　随时间变化的曲线图。如图２所示为充电停止时锂电池组各单体电压数据图。

如图所示，７号单体在整个充电过程中都比平均电压高，也最先达到截止电压（本实验中规定为４．３Ｖ）。而在７号单体达到截止电压时，单体平均电压Ｅ仅为接近４．２０Ｖ，若按电池组平均电压显示，电池组还能继续充电，而实际上该电池组已经不允许再充电，影响锂电池组的充电性能。同时１６号和２３号单体电压偏低，并且偏离Ｅ的程度相对较大。

２Ｃ放电实验数据显示，由于２０号、５５号、６４号单体电池达到３Ｖ以下，２Ｃ放电实验停止。

取监测数据中各单体电池的单体电压，

图１

　７号单体电压和平均电压随时间变化曲线图　　　　　　　　　　　　　　　　　　图２　　２Ｃ充电末期锂电池组单体电压数据图

图３　　２０号单体电压和平均电压随时间变化曲线图　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图４　２Ｃ放电末期锂电池组单体电压数据图

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计算其平均电压Ｅ；以２０号单体电池为例，如图３所示为２０号单体电池电压和平均电压Ｅ随时间变化的曲线图。如图４所示。为放电停止时锂电池组各单体电压数据图。

如图３所示，２０号单体在整个充电过程中都比平均电压低，也最先达到截止电压（本实验中规定为３Ｖ）。而在２０号单体达到截止电压时，如图４所示单体平均电压Ｅ仅为接近３．１０Ｖ，若按电池组平均电压显示，电池组还能继续放电，而实际上该电池组已经不允许再放电，影响锂电池组的放电性能，影响锂电池组的放电性能。同时１２号、２７号、３２号单体电压偏高，并且偏离Ｅ的程度相对较大。

２００９　　ＮＯ．２５

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数目Ｎ为奇数时，ｎ＝（Ｎ＋１）／２），计数次数为ｎ，是采集ｎ次锂电池组所有单体电压。以本实验为例即要采集４０次锂电池组电压，可以分别判别８０只单体的离散程度，求和可作为锂电池组的整体离散度；i—第i次计数；Emaxi—第i次计数中单体电池电压的极大值，在该次计数中不包括在第一次至第i 1次计数中所使用的单体电池电压的极大值；Emaxi—第i次计数中单体电池电压的极小值，在该次计数中不包括在第一次至第i 1次计数中所使用的单体电池电压的极小值；Ei—代表第ｉ次计数电池组平均电压。锂电池组的整体离散度反映的是整组电池的不一致性。

电池组整体一致性较差，有大量的单体出现不一致性问题，锂电池组不能继续使用，需要改善整个锂电池组的性能。

３　结论

通过对８０支锰酸锂电池组在常温下进行１Ｃ、２Ｃ、３Ｃ、４Ｃ充放电实验，实验数据显示所研究的锂电池组的不一致性比较明显。通过对数据分析，提出由锂电池组整体离散度和单体离散度共同描述锂电池组的不一致性的方案。锂电池组的整体离散度反映的是锂电池组整体的不一致性。单体离散度反映的是在锂电池组中个别单体电池电压与电池平均电压的不一致性。此方案能够较好地判断锂电池组的不一致性，提高了锂电池的使用性能。

２　不一致性判断条件

基于上述实验分析，实验中锂电池组在充放电过程中不一致性现象比较明显，影响电池的充放电性能。判断锂电池组的不一致性，既要考虑电池组中单体电池的不一致性，也要考虑锂电池组整体的不一

［４］

致性。因此，本文建立由整体离散度和单体离散度共同描述锂电池组的不一致性的联合模型。式（１）描述的是锂电池组的整体离散度；式（２）描述的是单体电池离散度。

εj=

(Ej E)

ε=∑(Emaxi Ei+Emini Ei/nEi　（１）

i=1

n

式（１）中，ε—电池组整体离散度；ｎ—计数次数（当串联电池组单体电池数目Ｎ为偶数时，ｎ＝Ｎ／２；当串联电池组单体电池

式（２）中εj—单体电池离散度；Ej—代表第ｊ节电池端电压；Ｅ—平均电压。单体电池离散度描述的是在锂电池组中个别单体电池电压与电池平均电压的不一致态势。

分析上述充放电实验图数据曲线，单体电池电压偏离平均电压最大约０．１Ｖ；平均电压Ｅ大致为３～４Ｖ。根据上述锂电池组的离散度模型分析，将数据代入式（２），计算出该锂电池组单体电池离散度标准为２．５％～３．３％。上述２Ｃ充电实验过程中，７号单体的单体离散度在充电过程中在离散度标准范围中，判断其为不一致。对整体离散度计算，以本实验８０节锂电池组为例，ｎ＝４０，计算分析，整体离散度ε标准为２％～４％。当整体离散度ε较大时，代表锂

　　　　　　　　　　　　　　　　　（２）

参考文献

［１］韩广欣，韩金东，张秀军，ｅｔ　ａｌ．锂离子电

池组均衡充电的研 …… 此处隐藏：1719字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……