動(dòng)力電池單體不一致的表現(xiàn)規(guī)律

動(dòng)力電池單體不一致的表現(xiàn)規(guī)律

鋰離子動(dòng)力電池的安全性及集成管理方面的必要性隨著電動(dòng)汽車(chē)在電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，一些問(wèn)題，如耐久性、可靠性和安全性，逐漸暴露出來(lái)。電池成組后單體之間的不一致是引起這一系列問(wèn)題的主要原因之一。由于電動(dòng)汽車(chē)類(lèi)型和使用條件限制,對(duì)電池組功率、電壓等級(jí)和額定容量的要求存在差別,電池組中單體電池?cái)?shù)量存在很大的差異。即使參數(shù)要求相似,由于電池類(lèi)型不同,所需的電池?cái)?shù)量也存在較大的差別?？傮w看來(lái),單體數(shù)量越多,電池一致性差別越大,對(duì)電池組性能的影響也越明顯。動(dòng)力電池成組后的單體不一致帶來(lái)的問(wèn)題主要體現(xiàn)在電池包性能、壽命和安全性等方面［1－3］,具體如下。(1)電池過(guò)充放。對(duì)電池組整體充放電時(shí),由于各單體電池特性的差異,會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)部各單體電池的充放電狀態(tài)不一致,某些單體會(huì)發(fā)生過(guò)充電或過(guò)放電。鋰離子動(dòng)力電池對(duì)過(guò)充電比較敏感,很容易導(dǎo)致整組提前失效,并可能引發(fā)安全問(wèn)題。(2)電池單體性能衰減速度不同。電池成組使用后,由于連接內(nèi)阻不同、溫度場(chǎng)的分布和電池自身性能的差異,電池組整體充放電時(shí),會(huì)導(dǎo)致各單體電池電流、放電深度和端電壓不同。根據(jù)電池壽命問(wèn)題的研究,這會(huì)使各單體電池性能衰減速度不同,從而可能導(dǎo)致電池組提前失效。(3)溫度差異。電池組中很難保證單體電池之間的熱交換條件一致,并且由于電池特性本身存在差異,各電池的產(chǎn)熱率也不一致;此外,相鄰電池之間的熱量會(huì)沿著溫度梯度傳播并相互作用。這些因素最終導(dǎo)致電池之間的溫度存在差異。高于或低于電池最佳工作溫度都將對(duì)其使用壽命產(chǎn)生不利的影響。電池單體工作在不同溫度環(huán)境中將擴(kuò)大電池間的不一致性,從而影響電池組的使用壽命。電池單體的一致性可分為制造過(guò)程的一致性和使用過(guò)程的一致性。制造過(guò)程中的一致性可通過(guò)改進(jìn)制造工藝來(lái)改善,使用過(guò)程的一致性可通過(guò)提高環(huán)境一致性和合理的管理來(lái)改善。但電池的一致是相對(duì)的,過(guò)分強(qiáng)調(diào)制造過(guò)程中的一致性或使用過(guò)程中環(huán)境的一致性,只能以提高系統(tǒng)成本為代價(jià)。因此,從電池集成和管理方面來(lái)看,主要可以從兩個(gè)方面來(lái)緩解電池不一致帶來(lái)的影響:成組前動(dòng)力電池的分選和成組后考慮不一致影響的電池管理。本文中綜述了動(dòng)力電池成組中單體不一致問(wèn)題的研究現(xiàn)狀,從不一致問(wèn)題的成因與表現(xiàn)、動(dòng)力電池一致性評(píng)價(jià)和緩解不一致問(wèn)題的技術(shù)等角度展開(kāi)分析,為動(dòng)力電池成組與管理提供參考依據(jù)和設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。1電池單體性能差異鋰離子動(dòng)力電池的制造過(guò)程一般包括配料、涂膜、裝配和化成等步驟。在上述步驟中的每個(gè)環(huán)節(jié)都可能會(huì)由于材料及制造精度等原因造成單體電池之間的不一致。比如,在鋰離子電池制造過(guò)程中,正、負(fù)極活性物質(zhì)的涂布需要有很高精度,這是保證電池性能可靠和一致的關(guān)鍵。混合好的漿料置于密封的容器內(nèi),涂布時(shí)漿料進(jìn)入的量由高精度的泵控制。然而,實(shí)際制造中,無(wú)論是容器的密閉還是漿料進(jìn)入量的控制都可能會(huì)發(fā)生偏差,從而影響涂布的厚度,導(dǎo)致電池性能產(chǎn)生差異。由于制造環(huán)節(jié)造成的電池單體性能差異,會(huì)在使用過(guò)程中耦合使用條件造成電池性能衰減速率的不一致,并引發(fā)單體電池差異逐漸放大。一般由于初始性能參數(shù)的差異和外部使用條件的一致性難以完全保證,會(huì)導(dǎo)致電池工作狀態(tài)的差異,而電池工作狀態(tài)的差異又進(jìn)一步加劇了電池性能變化的差異。兩者相互耦合作用如圖1所示。對(duì)電池壽命問(wèn)題的研究表明,電池性能衰減主要影響因素是溫度、放電深度(depthofdischarge,DOD)和電流倍率［4－6］。對(duì)于電池組內(nèi)的單體電池,由于容量不一致,在相同的電流工況下,會(huì)帶來(lái)實(shí)際電流倍率和DOD的差異;而由于內(nèi)阻差異,導(dǎo)致單體發(fā)熱不同,如果溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理,會(huì)導(dǎo)致各單體溫度的不一致。另外,對(duì)于并聯(lián)電池系統(tǒng)而言,由于單體電池內(nèi)組及連接差異,實(shí)際單體電流也會(huì)不同。上述的因素在電池實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中相互耦合,最終導(dǎo)致了電池組內(nèi)各單體性能衰減速率不同。而由于性能衰減速率的差異,又進(jìn)一步引起了電池容量和內(nèi)阻等差異變大,形成正反饋效應(yīng)。2電池單體性能參數(shù)動(dòng)力電池不一致的表現(xiàn)主要反映在兩個(gè)方面,一是電池單體性能參數(shù)的差異,二是電池工作狀態(tài)的差異。前者主要包括電池容量、內(nèi)阻和自放電率的差異;而后者主要是指電池荷電狀態(tài)和工作電壓的差異。2.1單因素參數(shù)不一致的表示規(guī)律2.1.1放電倍率對(duì)動(dòng)力電池影響電池容量一般指電池當(dāng)前的最大可用容量,即電池在滿(mǎn)充條件下恒流放出的電量,它是衡量電池性能的重要參數(shù)之一。影響電池容量的因素較多,對(duì)于同一型號(hào)電池而言,除了單體內(nèi)部差異,外部測(cè)試條件如溫度和放電倍率等也會(huì)顯著影響電池容量。若要評(píng)價(jià)電池容量的一致性,則必須要保證外部測(cè)試條件相同。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)中對(duì)該問(wèn)題的研究表明單體電池容量差異呈正態(tài)分布。作者對(duì)同一批次的某型標(biāo)稱(chēng)容量8A·h錳酸鋰功率型動(dòng)力電池在20℃、1C放電倍率下測(cè)得的容量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,如圖2所示。由圖可見(jiàn),電池單體之間容量的差異分布更接近威爾分布,這跟電子元器件的質(zhì)量分布類(lèi)似［9］。2.1.2功率特性表征動(dòng)力電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)反應(yīng)中表現(xiàn)出的極化內(nèi)阻兩部分。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解液、隔膜電阻和各零件的接觸電阻組成;極化內(nèi)阻是電化學(xué)反應(yīng)中由于電化學(xué)極化和濃差極化等產(chǎn)生的電阻。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力電池,還常用直流內(nèi)阻這個(gè)概念來(lái)表征電池的功率特性。在電池兩端施加一個(gè)電流脈沖,電池端電壓將產(chǎn)生突變,其直流內(nèi)阻Rd為式中:ΔI為電流脈沖;U(t)為t時(shí)刻的電池端電壓;U0為初始電池端電壓。直流內(nèi)阻往往包含歐姆內(nèi)阻和一部分極化內(nèi)阻,其中極化內(nèi)阻所占比例受電流加載時(shí)間t的影響。圖3為同一批次某型標(biāo)稱(chēng)容量為8A·h的錳酸鋰功率型動(dòng)力電池在20℃、1C脈沖放電加載1s測(cè)得的直流內(nèi)阻分布。由圖可見(jiàn):內(nèi)阻的離散程度較容量更為顯著,且同批次電池的內(nèi)阻一般滿(mǎn)足正態(tài)分布的規(guī)律。2.1.3動(dòng)力電池自放電率自放電是電池在存儲(chǔ)中容量自然損失的一種現(xiàn)象,其一般表現(xiàn)為存儲(chǔ)一段時(shí)間后開(kāi)路電壓(OCV)下降。因此,一般對(duì)于自放電率ηsd可以采用式(2)計(jì)算。式中:fOCV－SOC()為OCV與SOC的關(guān)系函數(shù);UOCV為電池開(kāi)路電壓;UOCV0為初始開(kāi)路電壓。圖4為同批次的某型標(biāo)稱(chēng)容量為8A·h的錳酸鋰功率型動(dòng)力電池在20℃下儲(chǔ)存時(shí)的自放電率分布。從圖4中可以看出,自放電率也呈現(xiàn)近似正態(tài)分布。2.2電池特性與熱特性本文中,電池的狀態(tài)主要是指電池的荷電狀態(tài)和端電壓。而電池的技術(shù)狀況(stateofhealth,SOH)往往通過(guò)電池的特性參數(shù),如內(nèi)阻或容量來(lái)表征,因此不再單獨(dú)研究其表現(xiàn)規(guī)律。電池的狀態(tài)往往決定了電池的工作點(diǎn),是影響電池壽命的主要因素之一。從2.1節(jié)分析可以看出,狀態(tài)量與電池性能參數(shù)具有耦合作用,因而狀態(tài)的不一致會(huì)進(jìn)一步影響參數(shù)的不一致。2.2.1單體電池間soc不一致問(wèn)題SOC對(duì)于動(dòng)力電池系統(tǒng)乃至整車(chē)的能量管理都是一個(gè)十分重要的參數(shù)。目前對(duì)車(chē)用動(dòng)力電池的SOC定義為式中:SOC0為初始SOC值;Cnom為電池單體C/25恒流放電的容量;I為電流,一般放電時(shí)I>0,充電時(shí)I<0。基于上述定義,對(duì)串聯(lián)型電池系統(tǒng)而言,單體電池在使用過(guò)程中SOC產(chǎn)生不一致問(wèn)題的主要原因?yàn)?單體電池初始標(biāo)稱(chēng)容量、使用過(guò)程中單體電池標(biāo)稱(chēng)容量衰減速率和單體電池初始SOC的差異。對(duì)并聯(lián)型電池系統(tǒng)而言,除上述3個(gè)原因外,還可能由于電池內(nèi)阻差異,導(dǎo)致電池的工作電流不同。這里以串聯(lián)系統(tǒng)為例,簡(jiǎn)單分析單體電池容量差異對(duì)SOC不一致的影響,其他因素造成的SOC差異可用相似方法分析。如果電池初始SOC相同,經(jīng)過(guò)充放電#Q之后,如果電池容量存在差異,則兩節(jié)單體SOC之間的差異為式中:C1，nom和C2，nom分別為兩節(jié)單體的容量。據(jù)式(4),電池單體容量差異在0~20%之內(nèi)、不同充放電深度#DOD下,容量極差對(duì)SOC差異的影響如圖5所示,從圖5中可以看出,單體容量差異對(duì)SOC造成的影響隨#DOD的增大而增大。2.2.2電池單體端電壓分布電池端電壓的不一致實(shí)際是上述參數(shù)和狀態(tài)不一致的綜合表現(xiàn)。對(duì)于動(dòng)力電池而言,其外部特性可以用如圖6所示的等效電路模型來(lái)描述［10－12］。圖中Rdl、Cdl、Rdiff和Cdiff描述由于雙電層電容效應(yīng)及擴(kuò)散效應(yīng)等帶來(lái)的極化現(xiàn)象,RO為電池的歐姆內(nèi)阻。從模型可以看出,在同樣電流激勵(lì)下,電池單體的性能參數(shù)差異最終表現(xiàn)為電池單體端電壓的不一致。圖7為HPPC(hybridpulsepowercharacteriza-tion)測(cè)試工況下某串聯(lián)電池組內(nèi)任意6節(jié)單體電池的端電壓,從中可以初步分析參數(shù)和狀態(tài)不一致對(duì)它的影響。#U1的不同主要由于初始工作點(diǎn)SOC的差異導(dǎo)致,#U2的不同為歐姆內(nèi)阻差異引起,#U3的不同由極化內(nèi)阻引起?？梢钥闯?電池的端電壓很好地反映了電池特性差異造成的影響,這給基于外特性的電池分選、評(píng)價(jià)和電池管理提供了依據(jù)。文獻(xiàn)的研究還表明,電池組使用過(guò)程中的單體電壓也近似呈正態(tài)分布。3靜態(tài)電壓一致性評(píng)價(jià)文獻(xiàn)和文獻(xiàn)中提出了“基于電池荷電狀態(tài)的電池組離散度”的概念,以表征電池組具有一定離散度的特性,并在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,建立了基于電池荷電狀態(tài)的電池組離散度模型,由整體離散度和極限離散度共同組成,即式中:ε為電池組的整體離散度;n為電池組內(nèi)電池單體數(shù)目;SOCi為組內(nèi)第i節(jié)單體的荷電狀態(tài);SOCm為電池組平均荷電狀態(tài);εP+為電池組正向極限離散度;εP－為電池組負(fù)向離散度;SOCmax為組內(nèi)電池單體荷電狀態(tài)最大值;SOCmin為電池單體荷電狀態(tài)最小值。鑒于電池的端電壓差異是電池參數(shù)和狀態(tài)不一致的最終表現(xiàn),文獻(xiàn)在上述研究的基礎(chǔ)上,建立了基于靜態(tài)端電壓的電池一致性的評(píng)價(jià)。由于電池的靜態(tài)端電壓(即OCV)與SOC存在非線(xiàn)性對(duì)應(yīng)關(guān)系,故采用單體電池的開(kāi)路電壓作為不一致參數(shù),引入補(bǔ)償系數(shù),來(lái)評(píng)價(jià)電池組的一致性:式中:ε為表征電池組一致性的參數(shù);Ki為電池單體電壓補(bǔ)償系數(shù);Ui為電池單體開(kāi)路電壓,ue24c為電池組平均開(kāi)路電壓;n為電池單體個(gè)數(shù)。由于鋰離子電池的開(kāi)路電壓與SOC之間的關(guān)系是非線(xiàn)性的,即電池處于不同的狀態(tài)時(shí),其靜態(tài)端電壓差異并不能完全代替電池單體SOC之間的差異。因此,對(duì)OCV-SOC曲線(xiàn)進(jìn)行分段線(xiàn)性,在對(duì)應(yīng)的近似線(xiàn)性區(qū)間內(nèi),通過(guò)檢測(cè)電池端電壓特性來(lái)預(yù)測(cè)電池的荷電狀態(tài):式中:SOCHB為SOC分段上限值;SOCLB為SOC分段下限值;UHB為分段上限對(duì)應(yīng)電壓值;ULB為分段下限對(duì)應(yīng)電壓值。采用以上方法獲得的靜態(tài)電壓一致性參數(shù)ε,直接反映一組電池整體在靜置條件下的SOC狀態(tài)之間的一致性。但這些評(píng)價(jià)方法需要知道電池組內(nèi)各單體的準(zhǔn)確SOC或OCV,在實(shí)際使用中,這些值很難得到。并且上述方法所得的評(píng)價(jià)不能反映電池的動(dòng)態(tài)差異,也不能反映參數(shù)的一致性,因此上述評(píng)價(jià)方法仍存在一定的局限性。4成組電池一致性研究單體電池的性能差異在電池成組應(yīng)用中是絕對(duì)存在的,該問(wèn)題只能減小而無(wú)法徹底消除。針對(duì)電池單體的一致性問(wèn)題,在成組應(yīng)用時(shí)主要從兩方面展開(kāi)了研究:一是單體電池的分選;二是通過(guò)合理的電池管理來(lái)緩解不一致帶來(lái)的影響,主要方法包括電池均衡、電池?zé)峁芾砗涂紤]電池單體差異的建模及狀態(tài)估計(jì)等［17］。4.1單體電池算法和參數(shù)確定電池分選的目的是提高成組時(shí)單體電池初始性能和狀態(tài)的一致性,以減輕電池使用過(guò)程中由于初始差異帶來(lái)的影響。目前電池分選往往使用充放電電壓曲線(xiàn)作為電池差異判別的指標(biāo),并由此發(fā)展出一系列的單體分選方法。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,依據(jù)統(tǒng)計(jì)分析原理,闡述了鎳氫電池的充放電電壓和容量的概率分布服從正態(tài)分布的規(guī)律,提出了一種基于數(shù)據(jù)分析理論的閾值準(zhǔn)則分選電池的分類(lèi)算法,及基于模糊決策的快速完成識(shí)別電池容量和曲線(xiàn)一致性的計(jì)算方法。同時(shí),還利用電池在充電、放電時(shí)記錄的采樣數(shù)據(jù),計(jì)算容量值和電壓均值,提出了采用放電容量值、充放電電壓平均波幅值的二級(jí)閾值分選算法［19］。文獻(xiàn)中采集了100個(gè)鋰離子電池的各項(xiàng)性能指標(biāo),如老化前后電壓、容量、內(nèi)阻、放電平臺(tái)和電芯厚度等,運(yùn)用主成分分析、核主成分分析和隨機(jī)森林種無(wú)監(jiān)督聚類(lèi)等方法,對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,數(shù)據(jù)指標(biāo)之間存在復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。文獻(xiàn)中研究了單體鋰離子電池的分選方法。采用在充放電曲線(xiàn)上選取特征點(diǎn)的方法,以不同電池對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)之間的歐式距離為指標(biāo),采用層次聚類(lèi)的方法,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析軟件SAS的計(jì)算,得到單體電池之間的差異程度。按照差異程度可以再進(jìn)一步進(jìn)行分選分類(lèi)。文獻(xiàn)中以磷酸鐵鋰動(dòng)力電池為研究對(duì)象,利用類(lèi)圓目標(biāo)識(shí)別算法對(duì)大量的電化學(xué)阻抗譜測(cè)量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,以此為依據(jù)建立磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的阻抗等效電路模型。針對(duì)阻抗譜測(cè)量耗時(shí)而繁瑣的缺陷,提出了基于阻抗譜的多點(diǎn)頻譜法。文獻(xiàn)中提出了一種綜合的電池單體分選方法,該方法分兩步,第一步是對(duì)電池容量的分選,第二步則利用在不同SOC點(diǎn)上的脈沖充放電電壓的比較來(lái)進(jìn)行單體動(dòng)態(tài)特性的分選。電池的分選只能保證電池成組前單體初始性能的一致性,實(shí)際使用過(guò)程中,單體的一致性會(huì)因?yàn)槭褂脳l件和環(huán)境的差異變差,因此,為進(jìn)一步緩解一致性帶來(lái)的問(wèn)題,還需要配合下面的一些技術(shù)措施。4.2電池均衡電路均衡的主要作用是緩解由于電池單體SOC不一致帶來(lái)的影響。均衡按照其實(shí)現(xiàn)原理主要分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡［24－26］。被動(dòng)均衡工作原理如圖8所示,通過(guò)控制開(kāi)關(guān)S1,S2,…,Sn的閉合和斷開(kāi),將相應(yīng)電池通過(guò)均衡電阻進(jìn)行放電均衡。該方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單、可靠性高、成本較低;缺點(diǎn)是流過(guò)電阻的電能以熱的形式釋放,效率較低,也限制了均衡的效果。被動(dòng)均衡的實(shí)質(zhì)是使SOC較高的單體電池放電,向SOC較低單體電池看齊。主動(dòng)均衡通過(guò)儲(chǔ)能原件實(shí)現(xiàn)不均衡電池間的能量轉(zhuǎn)移。這類(lèi)方案大多結(jié)構(gòu)復(fù)雜,硬件成本高,對(duì)系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)也提出了較高的要求;但其能量利用率較高,是目前電池單體均衡研究的一個(gè)熱點(diǎn)。根據(jù)所采用的儲(chǔ)能原件不同,主動(dòng)均衡又分為電容均衡、變壓器均衡和電感均衡3類(lèi)。圖9給出了基于電感方式的主動(dòng)均衡電路結(jié)構(gòu)。圖10為某電池模塊采用被動(dòng)均衡后電池單體的端電壓變化,圖11為采用基于電感的主動(dòng)均衡方案后電池單體的端電壓變化情況。無(wú)論采取何種均衡方式,在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí),均須按照一定的判斷邏輯來(lái)決定均衡功能的開(kāi)啟與關(guān)閉,常用的均衡判斷邏輯包括端電壓法、充電末期電壓法和SOC法。端電壓法僅匹配電池單體之間的端電壓,不考慮產(chǎn)生電池端電壓差異的實(shí)際原因。該方法最簡(jiǎn)單,可在任何時(shí)刻對(duì)電池進(jìn)行均衡。但由于電池單體之間的內(nèi)阻差異,在相同電流負(fù)載下,電池端電壓受到內(nèi)阻的影響非常大,不能準(zhǔn)確反映實(shí)際電池SOC的差異。充電末期法是在電池充電的末期按照端電壓進(jìn)行均衡匹配的方法。鋰離子電池進(jìn)入充電末期恒流階段后,端電壓能夠較好地反映電池單體間SOC的差異,因此可用端電壓作為判斷依據(jù)。由于混合動(dòng)力等車(chē)型的鋰離子電池幾乎不會(huì)出現(xiàn)滿(mǎn)充電的情況,因而該方法的應(yīng)用受到限制。SOC法依據(jù)單體電池的SOC進(jìn)行均衡,是最理想的均衡匹配方法,可以適用于任何應(yīng)用場(chǎng)合,其實(shí)現(xiàn)的前提是需要準(zhǔn)確獲得單體的SOC。而在目前的技術(shù)條件下,電池管理系統(tǒng)還很難準(zhǔn)確在線(xiàn)獲得所有電池單體電池的SOC,因此該方法目前實(shí)現(xiàn)難度還較大。4.3電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟熱管理的目的是從外部減輕溫度場(chǎng)分布對(duì)電池性能及其衰減的影響,防止溫差帶來(lái)的電池單體一致性變差。電池溫差產(chǎn)生的原因是單體散熱量和產(chǎn)熱量在空間上的不均勻性。在環(huán)境條件惡劣、模塊布置不當(dāng)、導(dǎo)熱條件不佳等情況下,電池組內(nèi)部的溫差會(huì)加大。如果電池組長(zhǎng)期工作在這種不均勻的溫度場(chǎng)中,會(huì)導(dǎo)致電池模塊和單體性能的差異進(jìn)一步加劇。對(duì)于電池系統(tǒng)而言,合理的熱管理設(shè)計(jì)是電池組溫度一致性的先決條件。目前針對(duì)電池組熱管理的研究主要集中在電池散熱方面,從冷卻介質(zhì)上看,一般有空氣冷卻、液體冷卻和相變材料冷卻等方案［27－28］。相對(duì)而言,電池包溫升的控制較單體間溫差控制容易。解決溫差控制主要需要電池包結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)性能良好的電池組熱管理系統(tǒng),要采用系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)方法。很多文獻(xiàn)介紹了多種熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,其中文獻(xiàn)中介紹的電池組熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最具有代表性,其設(shè)計(jì)路線(xiàn)如圖12所示。具體步驟如下。(1)確定設(shè)計(jì)目標(biāo)和限制條件。包括確定電池類(lèi)型、可以接受的溫度范圍及其變化程度、車(chē)輛所需要的電池外包裝等。(2)獲得電池的熱特性參數(shù)(如熱產(chǎn)生速率和熱容等)。這些因素影響著冷卻、加熱系統(tǒng)的尺寸和電池對(duì)于熱波動(dòng)的響應(yīng)速度等。(3)初步完成對(duì)模塊和冷卻效果的估測(cè)。確定模塊和電池組的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)熱響應(yīng)的初步分析。為此,需要進(jìn)行包括傳熱介質(zhì)和流徑的選擇等。(4)預(yù)測(cè)電池的熱行為,分析在不同的驅(qū)動(dòng)條件下各種參數(shù)的影響。(5)設(shè)計(jì)初步的電池冷卻系統(tǒng)。在預(yù)期的性能基礎(chǔ)上,確定系統(tǒng)的參數(shù)。(6)構(gòu)建和測(cè)試電池冷卻系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)構(gòu)建后,分別在測(cè)試臺(tái)和車(chē)輛上進(jìn)行不同負(fù)載和不同工況條件下的相關(guān)測(cè)試。(7)提高和改善系統(tǒng)。在測(cè)試數(shù)據(jù)和分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)行后期的細(xì)節(jié)調(diào)整和改進(jìn)。4.4單體soc估計(jì)和模型評(píng)價(jià)對(duì)于電池單體的不一致性,理想的解決方案是對(duì)每節(jié)單體進(jìn)行單獨(dú)的建模與狀態(tài)估計(jì),但這帶來(lái)了極高的計(jì)算復(fù)雜度,目前還比較難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)中提出了一種用于多節(jié)電池系統(tǒng)的SOC及內(nèi)阻估計(jì)算法,該算法通過(guò)在線(xiàn)調(diào)整一個(gè)能反映電池單體差異的權(quán)值向量來(lái)在線(xiàn)得到組內(nèi)所有單體的狀態(tài)和內(nèi)阻,取得了一定效果。權(quán)值向量A用來(lái)反映電池單體內(nèi)阻和SOC與整組平均值的比例,如果所有單體都相同,那么A=[1,1,1,…,1]。對(duì)于高于平均值的單體m,A(m)>1,反之,對(duì)于低于平均值的單體m,A(m)<1。對(duì)于單體內(nèi)阻估計(jì),假定整組平均單體電壓為Umean,則在第k步的迭代中,進(jìn)行下面兩步的計(jì)算:預(yù)測(cè):Up，k=Umean，kAk－1式中Up是利用前一步估計(jì)的A預(yù)測(cè)得到的單體電壓向量。式中:gA為調(diào)整誤差增益,通過(guò)該參數(shù)可以調(diào)整算法的收斂速度和精度;Uc為本次步長(zhǎng)內(nèi)采樣得到的單體實(shí)際電壓向量。對(duì)于單體SOC估計(jì),則通過(guò)SOC-OCV的關(guān)系曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行修正。通過(guò)各單體OCV比較的差值來(lái)進(jìn)行單體SOC差異的修正,即式中:dSOCk為第k次時(shí)單體SOC與平均SOC的差值向量;gSOC為調(diào)整誤差增益;UOCVz，k為第k次時(shí)單體理論開(kāi)路電壓向量;UOCVk為第k次時(shí)單體平均開(kāi)路電壓向量;dUOCVk為k次時(shí)預(yù)測(cè)的單體開(kāi)路電壓差異向量。文獻(xiàn)和文獻(xiàn)中對(duì)100節(jié)鈷酸鋰電池分別以質(zhì)量、容量、內(nèi)阻為參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明這些參數(shù)在靜態(tài)條件下近似于正態(tài)分布,隨后以單體電池等效電路模型為基礎(chǔ),建立了以100節(jié)此類(lèi)電池串聯(lián)的電池組模型,并通過(guò)以上所搜集的容量和內(nèi)阻等統(tǒng)計(jì)信息,調(diào)整了電池組的模型狀態(tài)參數(shù)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明,若要對(duì)整組電池的性能進(jìn)行更為精確的仿真或估計(jì),則必須將各電池的內(nèi)部狀態(tài)不一致性作為影響因素修正電池組的整體參數(shù)。文獻(xiàn)中對(duì)鋰離子電池組合前后進(jìn)行了充放電實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示鋰離子電池成組后的充放電特性有所下降,得出鋰離子電池成組時(shí)應(yīng)充分考慮單體電池的一致性的結(jié)論。并提出在估算SOC時(shí),采用電池組參數(shù)和單體電池參數(shù)相結(jié)合的方式:在放電初期和平臺(tái)區(qū)側(cè)重于電池組的參數(shù)估測(cè);在放電接近末期階段,當(dāng)電池組中有1只單體電池的SOC為0時(shí),即認(rèn)為電池組的SOC為0。文獻(xiàn)中提出了一種基于電池分選的