单体不一致性对新能源客车电池寿命的影响探析

陈继永，卢欣欣

（江苏工程职业技术学院，江苏 南通226007）

新能源客车中的电池主要是通过成百上千的单体电池通过出串并联的方法组合而成。受短板效应的影响，新能源客车极易出现单体不一致性。单体不一致性一方面是由于原材料的不一致性，另一方面是由于电池复杂的生产工艺和不同温度的外界环境。因此，需要解决电池不一致性的问题对电池寿命的消极影响。

1 新能源客车中单体电池不一致性问题分析过程

1.1 导致单体电池不一致性的因素

单体电池的不一致性会使新能源客车的电池系统整体性能较单体电池略差。因为差异化的表现方式不同，单体特性和电池系统之间不存在直接的线性化关系，因此，单体性能测试无法直接准确的测量出电池系统性能。其中，动力电池不一致性问题主要表现在单体的容量、内阻、电压、充放电的性能等部分。这些差异均会对新能源客车的电池系统造成消极影响。

1.2 具体实验分析

通过对两家电池制造厂家的生产电池作为对比研究对象，将其称为系统1与系统2。这两个系统均是统一区域统一交通线路的客车。同时，为了进一步对比单体电池的生产工艺因素对系统的影响，将这两个系统分别安装在相同厂家的汽车A上，试验电池系统分别为A1、A2，将这两辆车在相同时间段的数据进行对比，同时控制客车的外部环境对电池的作用相同。在对比中将客车在具体使用中电池系统中的BMS设备会记录采集点的最低温度和最高温度；电池箱体的单体最低电压和最高电压。电池系统的总电流、电压、SOC等参数数据。将这些数据传输至监控系统，接着监控系统将数据存至系统后台的数据库之中，方便之后的分析研究工作。

2 单体不一致性对新能源客车电池寿命的影响

2.1 温差不一致性对新能源客车电池寿命的影响

（1）温差对电池不一致性的影响。因为单体电池自身结构和空间的限制，电池系统在设计集成的过程中无法使其位于完全相同的环境中。紧挨着的电池之间产生的热量会随着温度的梯度进行扩散并相互影响。电池系统充电量与放电量之间的关系相同，在车辆充电时电池一致性与电池电量相关。因此，电池的实际容量与放电和充电电量相关。在研究电池温差和容量之间的关系时，选择电池系统A1、A2进行一次完整的充电操作。在SOC小于20%的条件下，将会自动提示用户进行充电。因此电池的起始充电量一般高于20%。因为电池动力系统的充电方式是恒流充电。

（2）温差导致的不一致性对电池寿命的影响。为了研究电池的不一致性对新能源客车电池寿命的影响，在实验中通过测试两辆客车的实际电池容量，将实际容量与初始容量的比值设为电池容量保持率（R），通过数据可以分析，两辆系统客车在实际运行中，电池的容量保持率相同，因为使用年限相同，因此可以推测出这两组电池的使用寿命基本一致。通过分析之间数据系统温差与压差的数据可以看出，客车在运行时单体电池的温差不一致对电池使用寿命影响较小。此外，A1与A2电池系统因为来自同一生产厂家，电池的关键参数和电池的工艺均相同，因此这两组系统的容量衰减相同，证明电池本身的性质与其寿命有直接关系[1]。

2.2 电压不一致性对新能源客车电池寿命的影响

（1）电压差对电池不一致性的影响。通过对比两个系统实际使用中放电功率与充电功率之间的情况，发现在客车运行中功率需求量不断变化，电压也随之变化。因为A1、A2的电池生产厂家不相同，其中的电芯性质也不相同。通过对两个电池系统的压差和温差进行分析，得到系统在使用中电压差的情况。其中，系统电压一般在充电末期的SOC会上升到最大，两个系统之间的电压差均处于250mv之上，不过A1在运行时压差在50KV之中。通过选择两个系统完整的充电情况作为研究对象，观察在充电中的各种参数。通过数据可以看出，系统A2在充电时SOC的电压显著上升，其中电压平台的压差降低。这种情况主要和磷酸铁电池的性质有关。在SOC的两侧，电压上升趋势较陡，而在中间区域电压变化较为平缓。因此，电压的一致性问题受SOC的位置影响。当系统A在充电初期至充电量为SOC-98%时，电池的电压差一直保持在50mv之中，因为电池电压是所有因素综合表现出来的直观数据。因此可以得出：电池A1与A2之间的一致性不同，A1比B1强。

为了进一步对比“电池压差”对电池系统的影响，将带有系统的客车A1、A2运行数据中的电池电压差进行分析发现：因为客车的生产上相同，因此电芯本身的特性参数和一致性均相同。因为两辆车在实际投入使用之后，运行的交通线路相同，因此可以判定它们的运行工况相同。分析两辆客车中电池的电压可以发现，电压差值均较大，压差的波动幅度也较大。其中，最高压差大约是在0.25V。在SOC部分呈现下降趋势，实际上电池在行车中处于放电过程，此时电池压差较低，在0.1之中波动[2]。因此，系统之间在实际运行和充电阶段的压差变化相同。

（2）电压差引起的电池不一致性对电池寿命的影响。为了研究不一致性与电池寿命的关系，实验中分别测试了两辆客车的电池容量。分别为93%与90%。因为SOC是新能源客车各种数据中用户可以直观看到的参数，因此十分重要。有专家通过SOC的定义认为，串联电池系统中，单体电池在使用中SOC导致的不一致主要有一些原因：在客车使用过程中单体电池的初始SOC差异、单体电池标称容量的衰减程度差异、单体电池的开始标称容量。其中，针对并联电池系统，也许还会受到电池内阻差异的影响。这种影响会使电池在使用中内部的电流不均衡。在新能源客车的使用中，电池系统一般既包含串联也包含并联，因此以上因素均会影响电池SOC的一致性。

（3）解决策略。一般新能源客车在系统制造中为了保护电池，SOC的低端会利用最低电压最为调整的条件。而高端一般通过最高单体电压作为调整条件。通过上述实验可以发现，将A1系统与A2系统之间的电池寿命进行对比，发现系统A2的寿命衰减较大。A1比A2的温差较大，但A1比A2的电压差较小。而A1电池的衰减程度较小。从中可以总结，若想提升电池寿命，需要强化单体电池的生产工艺的一致性。积极提升电池制造的能力和水平，确保新能源客车单体电池的出厂质量。其中需要保证初始电压的统一性。例如，对比内阻、电压、电池化成数据，挑选性能优良的新能源客车电池，确保相同来源的电池性能尽量一致。还可以通过建立电池均衡系统和能力管理系统，提升其均衡技术，保证电池一致性，提升电池的使用寿命[3]。

3 结 论

因为环境和制造工艺等因素的影响，单体电池在使用中或多或少受不一致性的干扰。由于电池系统的寿命衰减因素与新能源客车电池系统的寿命有直接关系，因此可以将单体电池的制造和生产工艺作为突破口，克服短板效应，通过提升新能源客车电池的均衡性强化电池的单体一致性。