單體不一致性對新能源客車電池壽命的影響

賈永強+孫艷艷+謝群鵬+賈志偉

摘 要：新能源客車的動力電池通常是由成百甚至上千個單體電池通過串并聯方式組成，由于短板效應，電池系統的性能通常由系統內部最差單體電池決定，所以單體電池的不一致性會導致電池系統的性能大幅度降低，特別是電池系統的壽命會受到較大影響。本文通過新能源客車市場運行大數據分析動力電池在實際應用中的電池不一致性問題，分析這種不一致性問題對電池系統壽命的影響，并針對性的提出由于電池不一致性問題帶來的電池壽命衰減的改進措施。

關鍵詞：新能源客車；大數據；不一致性；電池壽命

中圖分類號：TM912 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2017）05-0008-04

The Effect of Cell Inconsistency on the Battery Life of New Energy Buses

JIA Yong-qiang ， SUN Yan-yan ， XIE Qun-pen g， JIA Zhi-wei

（ Zhenzhou Yutong Bus Co.，Ltd. Zhengzhou450061， China）

Abstract： New energy bus is usually composed of hundreds or even thousands of single cells in series parallel way， and the structure of the battery system is very complex， so the influence the cell consistency issues will be bigger in new energy bus， especially for the life of battery system. Based on the large data of new energy bus， the paper analyzes batteries inconsistency issues and its effect on the battery life. At last the paper puts forward the improvement measure on battery life which caused by the battery inconsistency problem.

Key Words： New energy bus； large data； inconsistency； battery life

1 引言

隨著新能源客車數量的日益增加，使得新能源客車用動力電池備受關注，特別是動力電池的系統壽命[1-5]。然而，新能源客車用動力電池系統通常是由成百個甚至上千個單體電池通過串并聯方式組成，這使得電池組系統的結構非常復雜。所以在動力電池系統內部單體間存在一定的差異，即電池的不一致性問題，這也致使動力電池單體性能沒有辦法代表電池系統性能。

單體電池的不一致性首要來源于單體的本身的一致性，即制備工藝一致性和分選技術的完善性。為保證單體間的一致性，正、負極材料和電解液的均勻性非常重要，原材料的不一致性問題會帶來電池的不一致性。除原材料影響之外，由于電池的生產工藝復雜，單體電池制造過程也存在很大的不一致性問題[6]。另一方面，在不同的溫度下電池的電化學特性很不一樣，因此即使是一致性很好的單體成組后在不同的環境溫度下也會體現出不一致，最終導致電池組容量的較快衰減[7]。

本文通過新能源客車市場運行大數據分析動力電池在實際應用中的電池不一致性問題，分析這種不一致性問題對電池系統壽命的影響，并針對性的提出由于電池一致性問題帶來的電池壽命衰減的改進措施。

2 新能源客車用動力電池單體不一致性問題

單體電池不一致性會導致電池系統的性能會較單體電池性能差，由于差異性的體現方式不同，差異的大小不同，電池系統與單體特性表現之間并沒有一個直接的線性關系，所以通常電池系統的性能很難直接通過單體的性能評測準確得到。動力電池不一致性問題主要體現在單體電壓、內阻、容量、充放電性能等方面，各方面的差異均會對系統的性能產生較大的影響。為分析動力電池一致性問題，特選用兩家電池生產廠家生產電池作為研究對象，對應系統命名為系統A和系統B，系統A、B為同一地區同一線路運行公交客車。另一方面為了進行對比分析電池生產工藝等影響，選取了兩臺裝有同一電池廠家生產系統B的車輛，兩套電池系統分別命名為系統B1、B2，裝有系統B1和B2的車輛也為運行在同一線路上車輛，同時選取車輛數據為同一時間周期數據，所以車輛外界環境對電池影響基本一致。車輛在實際運行過程中電池管理系統BMS會將電池箱體內部電池最高、最低單體電壓、最高、最低采集點溫度、電池系統總壓、總電流、SOC等關鍵參數上傳給監控系統，然后由監控系統發送至后臺數據庫，本文數據為后臺大數據提取得到。

對于已經實際應用的電池系統其對外直接表現形式就是溫度、電壓、SOC等關鍵參數，所以下面將就從溫度、電壓這兩個方面逐一進行分析。為了對單體電池不一致進行分析，引入了溫差和壓差的比較，其中以電池系統內最高溫度與最低溫度之間的差值定義為溫差，以電池系統內最高電壓與最低電壓之間的差值定義為壓差。

2.1 溫差不一致性對電池壽命的影響

由于空間局限以及單體電池本體結構的差異性，電池系統在集成設計時很難保證所有的單體處于完全一致環境。此外，相鄰電池之間的熱量會沿著溫度梯度傳播并相互作用，這必將導致處于緊密包圍中心的電池單體溫度會較其他單體電池高，這些因素最終必將導致電池之間的溫度存在差異。電池內部溫度的差異會使電池使用溫度不一致，這也將帶來單體電池之間的不一致性，表征為單體電池的特性不一致及電池容量的衰減增加。endprint

提取裝有兩套系統B1和B2車輛運行一周時間的數據，對其對應溫差進行分析，見圖1。從圖中可以看出兩套系統溫差差異非常大，系統B1最大溫差達到12℃，系統B2的最大溫差為6℃?？梢钥闯鱿到yB1內部電池所處環境差異性較大。為了對比分析另一影響因素電池壓差，對裝有系統B1、B2的兩臺車輛的電池壓差進行分析，見圖2。由于為同一廠家生產，所以其電芯本體一致性及特性參數相對比較一致，而且兩臺車運行在同一線路上，均為公交工況，所以可以認為兩臺車運行工況相對一致。對兩臺車搭載電池電壓進行分析發現兩套系統壓差都比較大，壓差波動也比較大，最大壓差均在0.25V左右，且均在SOC持續下降階段（行車放電階段）電池壓差較小，大約在0.1V以內，在SOC持續上升末端（即充電末端）出現電池壓差急劇上升，所以從這些特性看出兩套系統在行車和充電過程中壓差變化趨勢及大小基本一致。

眾所周知，電池系統可以放出電量與充進去電量直接相關，在車輛充電過程中電池的一致性問題直接影響到電池的充電電量，所以電池的實際容量與以上幾點均相關。為了研究電池系統的容量與溫差一致性關系，選取系統B1、系統B2其中一次完整的充電過程作為研究對象，其充電過程相關參數如圖3。為了保護電池一般會在SOC低于20%時提醒用戶充電，所以充電起始SOC一般會大于20%，如圖3，兩套系統充電起始SOC也均大于等于20%。

車輛動力電池充電為恒流充電模式，前期充電電流較大，在接近充電末期為了減小電化學極化會逐步降低充電電流直至電池單體達到充電上限電流。圖3給出了裝有系統B1和B2電池系統兩臺車從約20%左右開始充電直至充電截止全過程中電池系統最高、最低電壓及SOC參數變化，從圖中看出兩套電池系統的充電特性完全一致，在充電初期及充電后期由于單體電池不一致性部分單體電池極化大，電池電壓上升較快，充電過程中系統內部逐漸達到平衡，極化減小，電池壓差減小，在充電末端電池內部極化達到最大，單體電池的不一致性更加凸顯，表現為部分單體電壓急劇上升，而其他單體電池由于充電電流的減小極化逐漸減小，表現為電壓上升很慢，所以出現單體最低電壓為下降趨勢。為了研究電池一致性對電池壽命的影響，測試了兩臺車的電池實際容量，定義實際容量除以電池初始的額定容量的比值為電池容量保持率R，其結果如表1：

從表1結果來看，兩套系統的電池容量保持率基本一致，兩臺車使用年限也基本一致，所以可以預估兩套動力電池使用壽命基本一致。結合前面分析的兩套電池系統溫差相差較大，壓差比較一致，可以得出在車輛運行過程中電池溫差的不一致性對電池使用壽命影響較小。另一方面，系統B1和系統B2為同一電池廠家生產，電池工藝及關鍵參數比較一致，所以兩套系統的容量衰減比較一致，這也說明電池壽命與電池的本體特性關系更大。

2.2 電壓不一致性對電池壽命的影響

如下圖4（a）（系統A示例）為車輛實際運行過程中的充電功率與放電功率（放電功率為正向、回饋功率和充電功率為負），可以看出車輛在運行過程中功率需求是時刻變化的，相應的電池的端電壓也是時刻變化的如下圖4（b）。

由于系統A與系統B2為兩個電池廠家生產，所以其電芯特性相差較大，據此我們對系統A、系統B2的溫差和壓差進行逐一分析。系統A與系統B2在使用過程的電壓差見圖5。系統電池壓差通常在充電末端即圖中SOC逐漸上升達到100%時達到最大，兩套系統最大壓差均在250mv以上，但是系統A運行過程中電池壓差均控制在50mv之內，但是系統B2電池壓差較為分散，壓差整體比系統A大，特別是充電末端電池壓差增大明顯。

系統A與系統B2在使用過程的溫差如圖1，為了滿足運營需求，裝載系統A的車輛一周時間內使用非常頻繁，除了夜間擱置之外，白天運行時間大約在16小時左右。這種頻繁的使用對電池的一致性提出了更高的要求，電池系統A最高溫差達到12℃，大部分時間溫差在3-6℃之間。裝載系統B2與系統A 使用情況不完全一致，車輛每天運營時間大約在14小時左右。電池溫場相對均勻，95%以上在2-5℃之間。兩套系統在溫場分布上有明顯差異，系統A相對于系統B2溫差要大。

選取系統B2、系統A其中一次完整的充電過程作為研究對象，其充電過程相關參數如圖7。

在圖7中，系統B2充電過程電池在SOC兩端壓差明顯增加，在中間電壓平臺區壓差減小。這個與磷酸鐵電池特性有關，在SOC兩端，電壓上升趨勢相對陡，而在SOC中間區域電壓相對較平，所以電池一致性問題在SOC兩端會體現得更為突出。而系統A從開始充電帶充電到充電至SOC為98%時，電池壓差一直維持在50mV之內，而電池端電壓是綜合各種影響因素體現出來的唯一直觀參數，所以這兩者對比很明顯發現系統A電池的一致性明顯比系統B2要好。為了研究電池一致性對電池壽命的影響，測試了兩臺車的電池容量，結果如表2：

SOC在新能源客車上是用戶能看到有關電池最為直觀的一個參數，所以其重要性是不言而喻的。戴海峰[8]根據SOC定義分析認為對串聯型電池系統而言，單體電池在使用過程中SOC產生不一致問題的主要原因為：單體電池初始標稱容量、使用過程中單體電池標稱容量衰減速率和單體電池初始SOC的差異。對并聯型電池系統而言，除上述3 個原因外，還可能由于電池內阻差異，導致電池的工作電流不同。而實際電池系統內部通常是既有串聯也有并聯，所以以上幾個因素均會影響電池系統SOC一致性。

在系統中為了保護電池，通常SOC低端會以最低電壓作為修正條件，SOC高端則會以最高單體電壓作為修正條件。所以在電池SOC高低端時電池壓差對SOC一致性影響更大。在圖7中我們注意到系統B2由于在充電末端電壓差急劇增加，為防止單體電池出現過充問題，以單體電池截止電壓作為充電終止條件。而此時電池最低電壓是急劇下降的，說明電池系統內大部分電池未充滿，所以在充電末端出現SOC跳變問題，SOC直接由86%跳變到100%，所以出現系統B2的電池容量衰減更大。endprint

兩臺車輛運營時間一致，運營里程裝載系統A車輛略高于裝載系統B2車輛，但結果顯示電池系統B壽命衰減較大。結合前面提到溫差和壓差進行分析，發現系統A溫差雖然較系統B略大，但是其壓差明顯比系統B小，最終電池系統A的電池壽命衰減卻要小，從這個我們可以得出，由于短板效應電池系統的壽命衰減與電池本體一致性關系更大，電池溫差一致性如果在可接受范圍內其對電池壽命衰減的作用要小于電池本體帶來的作用。鑒于這種情況，提升電池系統壽命還是需要從單體電池生產工藝一致性著手，提高電池制造工藝水平，保證電池出廠質量，尤其是初始電壓的一致性。同一批次電池出廠前，以電壓、內阻及電池化成數據為標準進行參數相關性分析，篩選相關性良好的電池，以此來保證同批電池性能盡可能一致[9]。同時應開發實用性電池組能量管理和均衡系統，提高電池均衡技術以提升電池一致性[10]。

3 小結

受限于單體電池的電壓和容量，新能源客車通常由成百個甚至上千個單體電池串并聯形成電池組，而由于制造工藝和使用環境的不一致，單體電池間總是存在不可消除的不一致性。單體電池成組后，其能量密度，電池容量等性能都會因為單體電池間的不一致而下降，電池壽命衰減也會隨著不一致性增加而加快。

由于短板效應電池系統的壽命衰減與電池本體一致性關系更大，電池溫差一致性相對對電池壽命衰減的作用要小于電池本體帶來的作用。鑒于這種情況，提升電池系統壽命還是需要從單體電池生產工藝一致性著手，同時提高電池均衡技術以提升電池一致性。

參考文獻：

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