動力電池組不一致性對使用壽命的影響

動力電池組不一致性對使用壽命的影響

在現(xiàn)有的動力電池技術(shù)中，電動汽車應(yīng)使用多相信動圈組成的電池來滿足使用要求。由于同一類型、同一規(guī)格、同一型號電池的電壓、內(nèi)阻、容量等參數(shù)值不同，即電池性能存在差異，因此動態(tài)電池在電動汽車中使用時的性能指標(biāo)不符合單一電池的原水平，從而縮短了其使用壽命的倍數(shù)或十幾倍。它對電動汽車的使用有重大影響。因此，對動力電纜對車輛壽命影響的研究有助于最大限度地發(fā)揮動力電阻在使用中的效率，提高電動汽車的駕駛性能。在國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中，這項(xiàng)研究是定性分析的，沒有建立數(shù)學(xué)模型。作者在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了不一致性對動力電池組使用壽命影響的數(shù)學(xué)分析模型,并通過試驗(yàn)得到了驗(yàn)證.1電池容量、內(nèi)阻等參數(shù)值蓄電池不一致性的產(chǎn)生有兩方面原因:①在制造過程中,由于工藝問題和材質(zhì)的不均勻,使電池極板厚度、微孔率、活性物質(zhì)的活化程度等存在微小差別,這種電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)上的不完全一致性,就會使同一批次出廠的同一型號電池的容量、內(nèi)阻等參數(shù)值不可能完全一致;②在裝車使用時,由于電池組中各個電池的溫度、通風(fēng)條件、自放電程度、電解液密度等差別的影響,在一定程度上增加了電池電壓、內(nèi)阻及容量等參數(shù)的不一致性.由蓄電池不一致性形成的原因,可知蓄電池之間的一致性是相對的,不一致性是絕對的.區(qū)別于傳統(tǒng)的蓄電池應(yīng)用領(lǐng)域,蓄電池在電動汽車上作為移動性的電力能源,長期在振動環(huán)境下,隨車輛實(shí)時功率需求放電工作,并且電池組必須耐受電動汽車長期大電流,深放電的使用要求.因此蓄電池在電動汽車上的應(yīng)用環(huán)境惡劣,不一致性表現(xiàn)程度以及對電池組使用壽命的影響明顯.2電池容量衰減系數(shù)二次電池使用壽命定義為:一定的充放電率下電池容量衰減為額定容量某個百分比時充放電循環(huán)次數(shù).據(jù)此定義,參考實(shí)際電池使用壽命測試數(shù)據(jù)和曲線(見圖1),假設(shè)電池每次充放電容量衰減為定常線性函數(shù),經(jīng)n次循環(huán)后,電池容量可表達(dá)為Cn=(1?nPN)C0Cn=(1-nΡΝ)C0.(1)式中:Cn為經(jīng)過n次循環(huán)后電池的實(shí)際容量;N為電池使用壽命;P為電池到達(dá)使用壽命后容量衰減百分比;C0為電池初始容量.由于不一致性在電池組各電池間絕對存在,在電池組使用中部分單電池由于相對容量小、內(nèi)阻大,在正常充放電情況下,充放電深度相對較大,并且容易出現(xiàn)過充和過放現(xiàn)象.由于此部分單體電池的影響,導(dǎo)致電池組的實(shí)際容量受到影響,加速了容量衰減.因此定義電池組的容量衰減系數(shù),即第i次使用時,受損傷電池容量可以表示為Ci=fi-1(ΔCi-1)Ci-1.(0≤fi-1(ΔCi-1)≤1)(2)式中:Ci為循環(huán)使用到第i次時電池的容量值;ΔCi-1為第i-1次相對于第i-2次使用后的容量差;fi-1(ΔCi-1)為第i次使用時電池過充、過放容量損傷系數(shù),是ΔCi-1的函數(shù).由式(2)可以推論得到Ci=fi-1(Ci-1-Ci-2)fi-2(Ci-2-Ci-3)×…×fi(C1-C0)C0.(3)令f(ΔC)=max{fi-1(Ci-1-Ci-2),fi-2(Ci-2-Ci-3),…,f1(C1-C0)},則在不一致性影響下電池組第i次使用時,理想的電池組容量為Ci=fi(ΔC)C0.(4)綜合考慮電池第n次使用理論容量公式和不一致性影響下電池容量衰減公式,可得電池第n次使用后實(shí)際容量表達(dá)式:C(n)=fn(ΔC)(1?nPN)C0C(n)=fn(ΔC)(1-nΡΝ)C0.(5)因?yàn)殡姵亟M各電池間不一致性的存在是絕對的,所以容量衰減系數(shù)的存在也是絕對的.從式(5)可知,電池組的使用壽命永遠(yuǎn)小于壽命最短的單電池的使用壽命.提高電池組的使用壽命應(yīng)從提高電池一致性和容量衰減系數(shù)的角度考慮,研究電池成組運(yùn)用技術(shù),使電池組使用壽命逐步趨于單電池的使用壽命.3電池組使用壽命①電池組使用工況.主要包含電池組的充電方式、放電功率和放電深度.過充電、過放電都將嚴(yán)重影響電池組的使用壽命;長期在深放電工況下使用的電池組比淺放電工況的電池壽命短;充放電功率超出最佳充放電電流也會影響電池組使用壽命.因此純電動汽車長期大電流、深放電的工作特性決定電池組的容量衰減系數(shù)較大.②電池組的連接方式.不同的連接方式將導(dǎo)致電池組的連接內(nèi)阻、組間電池容量自消耗不同.電池單體先并聯(lián)可有效促進(jìn)并聯(lián)單體電池間的容量自均衡,并保證電池組連接的可靠性.因此這種連接方式的電池組,容量衰減系數(shù)小于先串聯(lián)后并聯(lián)連接方式的.③電池組的使用環(huán)境.主要包括環(huán)境溫度、振動特性等.高于或低于電池最佳工作溫度都將對其使用壽命產(chǎn)生不利的影響.由于電池在車輛上的布置位置不同,通風(fēng)和散熱環(huán)境存在差別,電池工作在不同的溫度環(huán)境內(nèi),將擴(kuò)大電池間的不一致性,從而影響電池組的使用壽命.車輛行駛時產(chǎn)生的振動將對電池連接、極板固定、電解液流動產(chǎn)生直接的影響,從而影響電池的使用壽命.④電池組中單體電池?cái)?shù)量.由于電動汽車類型和使用條件限制,對電池組功率、電壓等級和額定容量的要求存在差別,電池組單體數(shù)量存在很大的差異.即使參數(shù)要求相似,由于電池類型不同,所需的電池?cái)?shù)量也存在較大的差別.總體看來,單體數(shù)量越多,電池一致性差別越大,在使用中不一致性擴(kuò)散越快,電池組容量衰減也越快.4動力電池組使用壽命根據(jù)不一致性對電池組使用壽命影響的數(shù)學(xué)模型及容量衰減系數(shù)的影響因素分析可知,容量衰減系數(shù)是隨電池使用工況、環(huán)境等因素變化而變化的參數(shù).在下述計(jì)算中假定容量衰減系數(shù)為定值,并且f(ΔC)=0.999.根據(jù)公式(5),此電池第n次循環(huán)實(shí)際容量可以表示為Cn=0.999n(1?nPN)C0Cn=0.999n(1-nΡΝ)C0.(6)以此為基礎(chǔ),根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),按電池的實(shí)際容量衰減到80%額定容量(0.8C0)時為壽命終止.分別計(jì)算正常放電深度(DOD)為80%,單電池循環(huán)壽命為300次、600次和1200次時成組使用的動力電池組使用壽命.計(jì)算結(jié)果如表1.由計(jì)算結(jié)果可見,電池組使用壽命明顯低于單電池使用壽命,單電池使用壽命與電池組使用壽命的提高不成正比增加,單電池使用壽命提高1倍,電池組使用壽命僅提高幾十次.在上述計(jì)算中損傷系數(shù)fi-1(ΔCi-1)取為定常系數(shù),并取最大值.而實(shí)際上fi-1(ΔCi-1)也是一個急劇衰減的時變函數(shù),根據(jù)前述不一致性擴(kuò)大原因分析及電動汽車實(shí)際行駛試驗(yàn),電池不一致性將導(dǎo)致電池組內(nèi)其它單體發(fā)生多米諾骨牌效應(yīng)式的連鎖反應(yīng).因此,若不對電池組進(jìn)行及時維護(hù),其實(shí)際使用壽命將縮短為單電池壽命的幾分之一甚至十幾分之一.上述計(jì)算結(jié)果在北京市公交示范線示范運(yùn)行的電動汽車上得到了驗(yàn)證.經(jīng)廠家及權(quán)威檢測部門檢測,單電池壽命400次以上的鉛酸電池和1000次以上的鋰離子電池在充放電使用約100次和150次后容量出現(xiàn)了嚴(yán)重衰減.抽檢的部分單電池容量已低于電池額定容量的80%.在相關(guān)文獻(xiàn)中也有類似的結(jié)論.單純提高單電池使用壽命對電池組使用壽命的提高非常有限,必須提高電池成組運(yùn)用技術(shù),改善電池組工作環(huán)境和使用工況,增加電池在使用中的維護(hù)和保養(yǎng)才能有效提高電池組的使用壽命.5電池組結(jié)構(gòu)和工藝特點(diǎn)從以上分析可知,即使在單電池技術(shù)取得重大突破、性能顯著提高的前提下,提高電動汽車性能,特別是增加續(xù)駛里程和提高電池組使用壽命的關(guān)鍵就是提高動力電池的成組運(yùn)用技術(shù),盡可能提高和保證動力電池的一致性.根據(jù)動力電池應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)研究,從電池使用和成組篩選等方面可以采用8項(xiàng)措施,避免電池不一致性擴(kuò)大,保證電池組壽命逐步趨于單電池的使用壽命.①提高電池制造工藝水平,保證電池出廠質(zhì)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(nèi)阻及電池化成數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參數(shù)相關(guān)性分析,篩選相關(guān)性良好的電池,以此來保證同批電池性能盡可能一致.②在動力電池成組時,務(wù)必保證電池組采用同一類型、同一規(guī)格、同一型號的電池組成.③在電池組使用過程中檢測單電池參數(shù),尤其是動、靜態(tài)情況下(電動汽車停駛或行駛過程中)電壓分布情況,掌握電池組中單電池不一致性發(fā)展規(guī)律,對極端參數(shù)電池進(jìn)行及時調(diào)整或更換,以保證電池組參