动力电池组特性分析与均衡管理

 

 

 

 

  
摘要：电池组有区别于单体电池的额外特性，基于目前的动力电池设计与制造技术水平，单体之间的性能差异在其整个生命周期里客观存在，要想避免单体
由于过充、过放导致提前失效，使电池组的功能和性能指标达到或者接近单体的平均水平，对电池组中单体之间实现均衡控制和管理是必由之路。电池组均
衡管理是一门先进的电池组使用技术，需要结合动力电池电化学模型、电子电源和计算机控制等多学科技术的最新研究成果，进行创新设计。 
 关键词：锂离子电池、动力电池组、蓄电池组、电池组使用技术、均衡控制、电池组管理 
  
0  前言 
     被认为是未来汽车的电动汽车是电动源、电机和整车三大技术的结合体，电动源是电动汽车的核心部件，目前已经形成动力锂离子电池及其专用材料的
开发热潮。做为一种新型的动力技术，锂电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需要，单体性能上的参差不齐并不全是缘于电池的生产技术问题，从涂
膜开始到成品要经过多道工序，即使每道工序都经过严格的检测程序，使每只电池的电压、内阻、容量一致，使用一段时间以后，也会产生差异，使得锂动
力电池的使用技术问题迫在眉睫，而且必须尽快解决。 
    动力电池组的使用寿命受多种因素影响，如果电池组寿命低于单体平均寿命的一半以下，可以推断都是由于使用技术不当造成的，首要原因当推过充和
过放导致单体电池提前失效。本文结合锂动力电池特性、电子电源、计算机控制技术研究动力电池组的使用技术，探讨动力电池组的均衡控制和管理。 
 1  动力电池主要性能参数 
 1.1  电压 
     开路电压=电动势+电极过电位，工作电压=开路电压+电流在电池内部阻抗上产生的电压降。电动势由电极和电解质材料特性决定，电极的过电位与材
料活性、荷电状态和工况有关。金属锂标准电极电位-3.05V，3V 锂电池 3.3~2.3V，4V 锂 4.2~3.7V，5V 锂 4.9V~3.0V。 
 1.2  内阻 
     电池在短时间内的稳态模型可以看作为一个电压源，其内部阻抗等效为电压源内阻，内阻大小决定了电池的使用效率。电池内阻包括欧姆电阻和极化电
阻两部分，欧姆电阻不随激励信号频率变化，又称交流电阻，在同一充放电周期内，欧姆电阻除温升影响外变化很小。极化电阻由电池电化学特性对外部充
放电表现出的抵抗反应产生，与电池荷电、充放强度、材料活性都有关。同批电池，内阻过大或过小者都不正常，内阻过小可能意味材料枝晶生长和微短路，
内阻太大又可能是极板老化、活性物质丧失、容量衰减，内阻变化可以作为电池裂化的充分性参考依据之一。 
 1.3  温升 
     电池温升定义为电池内部温度与环境温度的差值。多数锂电池充电时属吸热反应，放电时为放热反应，两者都包含内阻热耗。充电初期，极化电阻最小，
吸热反应处于主导地位，电池温升可能出现负值，充电后期，阻抗增大，释热多于吸热，温升增加，过充时，随不可逆反应的出现，逸出气体，内压、温升
升高，直到变形、爆裂。 
 1.4  内压 
     电池内部压力，由于电池内部反应逸出气体导致气压增大，气压过大将撑破壳体和发生爆裂，基于安全考虑，一方面锂电池都设计了单向的防爆阀门，
一方面用塑壳制造。析气反应常伴随着不可逆反应，也就意味着活性物质的损失、电池容量的下降，无析气、小温升充放电是最理想的。 
 1.5  电量 
     电学里，电量用 Wh 表示，是能量单位，一度电等于 1kWh，电池常用 Ah 计算电量，对于动力电池侧重于功率和能量大小，用 Wh 更直接一些，因为