單體不一致性對新能源客車電池壽命的影響探析

陳繼永，盧欣欣

（江蘇工程職業技術學院，江蘇 南通226007）

新能源客車中的電池主要是通過成百上千的單體電池通過出串并聯的方法組合而成。受短板效應的影響，新能源客車極易出現單體不一致性。單體不一致性一方面是由于原材料的不一致性，另一方面是由于電池復雜的生產工藝和不同溫度的外界環境。因此，需要解決電池不一致性的問題對電池壽命的消極影響。

1 新能源客車中單體電池不一致性問題分析過程

1.1 導致單體電池不一致性的因素

單體電池的不一致性會使新能源客車的電池系統整體性能較單體電池略差。因為差異化的表現方式不同，單體特性和電池系統之間不存在直接的線性化關系，因此，單體性能測試無法直接準確的測量出電池系統性能。其中，動力電池不一致性問題主要表現在單體的容量、內阻、電壓、充放電的性能等部分。這些差異均會對新能源客車的電池系統造成消極影響。

1.2 具體實驗分析

通過對兩家電池制造廠家的生產電池作為對比研究對象，將其稱為系統1與系統2。這兩個系統均是統一區域統一交通線路的客車。同時，為了進一步對比單體電池的生產工藝因素對系統的影響，將這兩個系統分別安裝在相同廠家的汽車A上，試驗電池系統分別為A1、A2，將這兩輛車在相同時間段的數據進行對比，同時控制客車的外部環境對電池的作用相同。在對比中將客車在具體使用中電池系統中的BMS設備會記錄采集點的最低溫度和最高溫度；電池箱體的單體最低電壓和最高電壓。電池系統的總電流、電壓、SOC等參數數據。將這些數據傳輸至監控系統，接著監控系統將數據存至系統后臺的數據庫之中，方便之后的分析研究工作。

2 單體不一致性對新能源客車電池壽命的影響

2.1 溫差不一致性對新能源客車電池壽命的影響

（1）溫差對電池不一致性的影響。因為單體電池自身結構和空間的限制，電池系統在設計集成的過程中無法使其位于完全相同的環境中。緊挨著的電池之間產生的熱量會隨著溫度的梯度進行擴散并相互影響。電池系統充電量與放電量之間的關系相同，在車輛充電時電池一致性與電池電量相關。因此，電池的實際容量與放電和充電電量相關。在研究電池溫差和容量之間的關系時，選擇電池系統A1、A2進行一次完整的充電操作。在SOC小于20%的條件下，將會自動提示用戶進行充電。因此電池的起始充電量一般高于20%。因為電池動力系統的充電方式是恒流充電。

（2）溫差導致的不一致性對電池壽命的影響。為了研究電池的不一致性對新能源客車電池壽命的影響，在實驗中通過測試兩輛客車的實際電池容量，將實際容量與初始容量的比值設為電池容量保持率（R），通過數據可以分析，兩輛系統客車在實際運行中，電池的容量保持率相同，因為使用年限相同，因此可以推測出這兩組電池的使用壽命基本一致。通過分析之間數據系統溫差與壓差的數據可以看出，客車在運行時單體電池的溫差不一致對電池使用壽命影響較小。此外，A1與A2電池系統因為來自同一生產廠家，電池的關鍵參數和電池的工藝均相同，因此這兩組系統的容量衰減相同，證明電池本身的性質與其壽命有直接關系[1]。

2.2 電壓不一致性對新能源客車電池壽命的影響

（1）電壓差對電池不一致性的影響。通過對比兩個系統實際使用中放電功率與充電功率之間的情況，發現在客車運行中功率需求量不斷變化，電壓也隨之變化。因為A1、A2的電池生產廠家不相同，其中的電芯性質也不相同。通過對兩個電池系統的壓差和溫差進行分析，得到系統在使用中電壓差的情況。其中，系統電壓一般在充電末期的SOC會上升到最大，兩個系統之間的電壓差均處于250mv之上，不過A1在運行時壓差在50KV之中。通過選擇兩個系統完整的充電情況作為研究對象，觀察在充電中的各種參數。通過數據可以看出，系統A2在充電時SOC的電壓顯著上升，其中電壓平臺的壓差降低。這種情況主要和磷酸鐵電池的性質有關。在SOC的兩側，電壓上升趨勢較陡，而在中間區域電壓變化較為平緩。因此，電壓的一致性問題受SOC的位置影響。當系統A在充電初期至充電量為SOC-98%時，電池的電壓差一直保持在50mv之中，因為電池電壓是所有因素綜合表現出來的直觀數據。因此可以得出：電池A1與A2之間的一致性不同，A1比B1強。

為了進一步對比“電池壓差”對電池系統的影響，將帶有系統的客車A1、A2運行數據中的電池電壓差進行分析發現：因為客車的生產上相同，因此電芯本身的特性參數和一致性均相同。因為兩輛車在實際投入使用之后，運行的交通線路相同，因此可以判定它們的運行工況相同。分析兩輛客車中電池的電壓可以發現，電壓差值均較大，壓差的波動幅度也較大。其中，最高壓差大約是在0.25V。在SOC部分呈現下降趨勢，實際上電池在行車中處于放電過程，此時電池壓差較低，在0.1之中波動[2]。因此，系統之間在實際運行和充電階段的壓差變化相同。

（2）電壓差引起的電池不一致性對電池壽命的影響。為了研究不一致性與電池壽命的關系，實驗中分別測試了兩輛客車的電池容量。分別為93%與90%。因為SOC是新能源客車各種數據中用戶可以直觀看到的參數，因此十分重要。有專家通過SOC的定義認為，串聯電池系統中，單體電池在使用中SOC導致的不一致主要有一些原因：在客車使用過程中單體電池的初始SOC差異、單體電池標稱容量的衰減程度差異、單體電池的開始標稱容量。其中，針對并聯電池系統，也許還會受到電池內阻差異的影響。這種影響會使電池在使用中內部的電流不均衡。在新能源客車的使用中，電池系統一般既包含串聯也包含并聯，因此以上因素均會影響電池SOC的一致性。

（3）解決策略。一般新能源客車在系統制造中為了保護電池，SOC的低端會利用最低電壓最為調整的條件。而高端一般通過最高單體電壓作為調整條件。通過上述實驗可以發現，將A1系統與A2系統之間的電池壽命進行對比，發現系統A2的壽命衰減較大。A1比A2的溫差較大，但A1比A2的電壓差較小。而A1電池的衰減程度較小。從中可以總結，若想提升電池壽命，需要強化單體電池的生產工藝的一致性。積極提升電池制造的能力和水平，確保新能源客車單體電池的出廠質量。其中需要保證初始電壓的統一性。例如，對比內阻、電壓、電池化成數據，挑選性能優良的新能源客車電池，確保相同來源的電池性能盡量一致。還可以通過建立電池均衡系統和能力管理系統，提升其均衡技術，保證電池一致性，提升電池的使用壽命[3]。

3 結 論

因為環境和制造工藝等因素的影響，單體電池在使用中或多或少受不一致性的干擾。由于電池系統的壽命衰減因素與新能源客車電池系統的壽命有直接關系，因此可以將單體電池的制造和生產工藝作為突破口，克服短板效應，通過提升新能源客車電池的均衡性強化電池的單體一致性。