新能源汽车电池组一致性的影响因素研究

湖南石油化工职业技术学院机电工程学院 刘 应

目前每年汽车燃油消耗量占据了全世界石油总消耗量的41%左右。不可再生能源石油的不断减少和人类生存环境的日益破坏，是摆在全世界人类面前的难题。开发节能新技术和发展新能源汽车产业已成为世界上许多国家应对能源和环境问题的共同选择。大力发展新能源汽车产业是我国从汽车大国向汽车强国迈进的必经之路，是我国应对气候变化、推动绿色生态发展的英明举措。作为新能源汽车的动力源的动力电池，如何在保证电池在安全使用的同时，延长使用寿命，一直是新能源汽车中的关键技术之一。本文介绍了电池组容量的定义及电池组一致性的影响因素，解释了电池组的使用寿命小于单体电池的原因。

当今社会能源危机和环境污染日益严重，科技领域的研究热点主要集中在安全、清洁、高效的能源存储和转换技术方面。动力电池是指为电动汽车、电动列车、电动自行车、高尔夫球车等提供动力来源的蓄电池。主要种类有：阀口密封式铅酸蓄电池、敞口式管式铅酸蓄电池以及磷酸铁锂蓄电池。

锂离子电池作为电能的一种存储和转换载体，其特点是几乎不会污染环境（集中处理）且具有很高的能量转化率。其充电的工作原理是：当锂离子电池接通充电电源时，锂离子由负极材料脱嵌（如石墨）进入到六氟磷酸锂（LiPF6）电解质中，此刻产生的电子在正极附近进入到负极集流体中，六氟磷酸锂电解质内的锂离子与正极集流体带入的电子结合，同时嵌入正极材料（如磷酸铁锂LFP）。因为正、负极的锂离子产生浓度差，故六氟磷酸锂电解质中的锂离子开始从正极透过隔膜向负极运动，致使电子在锂离子电池内部运动从而产生了电流，此时电池开始充电。需要指出的是锂离子电池的放电过程正好是与此相反。

1 国内动力电池现状

新能源汽车的高速发展带动了动力电池行业的快速发展，近年来涌现出来的以宁德时代为首的中国电池企业已经处于世界领先的地位。

目前，国内新能源汽车仍然是以磷酸铁锂和三元锂电池为主流，车型的续航里程基本上都能达到300km，但电池系统的平均能量密度水平仅为115Wh/Kg左右。国家工信部等四部委在2017年3月，联合颁布《促进汽车动力电池发展行动方案》，指出到2020年，要求新型锂离子动力申池单体比能量超过300Wh/Kg；系统比能量力争达到260Wh/Kg。

2018年全国乘用车（含EV、PHEV）动力电池市场呈现快速增长。2018年国内三元电池装机30.7GWh，同比增长92%。2018年国内三元电池装机30.7GWh，占比54%。2015-2020年动力电池空间及测算如图1所示，2020-2025年动力电池需求量如图2所示。

图1 2015-2020年动力电池空间及测算

图2 2020-2025年动力电池需求量

2 车用电池组

目前新能源汽车的基础研究想获得突破性的进展的关键技术是如何改进锂单体电池的改性和电池新材料的研究上。由于单体锂电池的容量和电压较小，电动汽车要达到足够大的功率、满足加速、爬坡、续航里程等要求，就必须把成百上千个的单体锂电池通过合理的串并联（串联得到高电压，并联得到高容量）形成电池组系统。

新能源汽车性能的好坏不是由单体电池决定，而是由电池组的性能和参数决定。需要指出电池组不是单体电池单纯的利用相似原理简单的按照比例扩大，而是要匹配电池组的体积大小，质量、电压、容量等参数。单体电池组成电池组以后，其耐久性、能量密度和安全性等特性都有有所下降，此时电池组体现的特征已经不能用相似原理去解释。

在电池组系统中，不但提供了单体电池工作空间，还需要监测和记录单体电池的温度、电压、荷电状态（SOC）、功能状态（SOF）和健康状态（SOH），还要保证单体电池的电化学工作环境，防止单体电池发生过度充电、过度放电、电流过大等滥用行为。

3 车用电池组系统的功能和组成

在电池组系统中，需要找到能及时发现单体电池有可能存在的安全技术隐患并且能提对应的解决方案，减小单体电池之间的差异，从而达到延长电池组使用寿命的目的。除此之外，电池组系统还需要做到小型化，轻量化，以此保证所选用单体电池能在体积和能量密度等参数上具有较强的优势。

电池组系统的组成包括：外壳，串并联电池组，电池管理系统，安全系统，热管理系统，充电系统。

4 单体电池寿命影响因素

单体电池寿命问题的两种表现：其一为容量的衰减，其二为内阻的增大。本文主要介绍容量衰减，分为可逆容量损失和不可逆容量损失两种。研究表明对于锂电池系统，以上两种容量损失在电池静置和循环过程中的容量大小是相当的。

按照控制理论观点，将电池模型分为白箱模型、灰箱模型和黑箱模型。

白箱模型主要指用电化学过程中的偏微分方程模型，此类模型方程用来描述传质过程和电化学过程，其求解方法是有限元法，缺点是该模型较为复杂。

灰箱模型主要是指等效电路模型，此类模型能保证可靠的精度的同时使计算量大为降低。但是等效电路模型的精度比电化学模型低，故提高该模型的精度已成为目前主要研究方向。

黑箱模型主要是指神经网络模型，此类模型能通过输入、输出的训练和自我学习，实现电池的状态估计和管理，主要用在故障诊断方面。

5 电池组不一致的表现

单体电池电压不一致是电池组最直观的表现之一。尽管单体电池在初始状态时都是无缺陷的，但由于单体电池的循环充放电的效率并不相同，故造成单体电池的电压相差很大。

由于不同电池生产厂家生产的电池阻抗谱差别很大，即使是同一厂家，由于制造温度和历史循环等因素的影响也会使生产出的同一类型电池之间的内阻或阻抗不一致。

影响单体电池不一致的主要因素是温度不一致。电池反应与其温度变化呈指数关系，即电池温度越高，其衰减越快，这样导致电池的不一致性增大。

SOC、容量及衰减的不一致性对于新能源汽车来说是最重要的三个特征，因为它们关系到电池组的可用容量和输出功率。

6 减小电池组不一致性的方法

电池组通常采用均衡的方法来减小不一致性。均衡的方法有能耗式均衡和能量转移式均衡两种。对小型电池组来说，由于其电池组较小，一般采用能耗式均衡法。对于新能源汽车电池组，由于能耗式均衡法的效率低下且速度缓慢，故采用能量转移式均衡。

7 总结与展望

由于单体电池电压和容量很小，新能源汽车需要把成百上千个单体电池串并联组成电池组。由于电池的生产环境和制造工艺不一致，所以单体电池存在着不可消除的不一致性，其组成电池组后，它们的安全性、耐久性和能量密度等都会因为单体电池间的不一致而导致发生变化。

影响电池组的不一致性的主要因素是温度和库仑效率。温度的控制需要有较好的电池组热管理，将温差控制在5摄氏度内，其电池组的不一致性有较大的改观。

新能源汽车电池组的不一致性研究还有很多方向需要进深入系统的研究，例如：生产材料的物理特性导致不一致性的研究，对单体电池寿命二维尺度衰减的机理分析的实验验证，单体电池功率输出不一致性的研究，电池组的连接方式不一致性研究。