1  引言

在動(dòng)力電池系統(tǒng)內(nèi)部單體間存在一定的差異，即電池的不一致性問(wèn)題，這也致使動(dòng)力電池單體性能沒(méi)有辦法代表電池系統(tǒng)性能。

單體電池的不一致性首要來(lái)源于單體的本身的一致性，即制備工藝一致性和分選技術(shù)的完善性。為保證單體間的一致性，正、負(fù)極材料和電解液的均勻性非常重要，原材料的不一致性問(wèn)題會(huì)帶來(lái)電池的不一致性。除原材料影響之外，由于電池的生產(chǎn)工藝復(fù)雜，單體電池制造過(guò)程也存在很大的不一致性問(wèn)題。另一方面，在不同的溫度下電池的電化學(xué)特性很不一樣，因此即使是一致性很好的單體成組后在不同的環(huán)境溫度下也會(huì)體現(xiàn)出不一致，最終導(dǎo)致電池組容量的較快衰減。

本文通過(guò)新能源客車(chē)市場(chǎng)運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析動(dòng)力電池在實(shí)際應(yīng)用中的電池不一致性問(wèn)題，分析這種不一致性問(wèn)題對(duì)電池系統(tǒng)壽命的影響，并針對(duì)性的提出由于電池一致性問(wèn)題帶來(lái)的電池壽命衰減的改進(jìn)措施。

2  新能源客車(chē)用動(dòng)力電池單體不一致性問(wèn)題

單體電池不一致性會(huì)導(dǎo)致電池系統(tǒng)的性能會(huì)較單體電池性能差，由于差異性的體現(xiàn)方式不同，差異的大小不同，電池系統(tǒng)與單體特性表現(xiàn)之間并沒(méi)有一個(gè)直接的線性關(guān)系，所以通常電池系統(tǒng)的性能很難直接通過(guò)單體的性能評(píng)測(cè)準(zhǔn)確得到。

動(dòng)力電池不一致性問(wèn)題主要體現(xiàn)在單體電壓、內(nèi)阻、容量、充放電性能等方面，各方面的差異均會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響。為分析動(dòng)力電池一致性問(wèn)題，特選用兩家電池生產(chǎn)廠家生產(chǎn)電池作為研究對(duì)象，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)命名為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B，系統(tǒng)A、B為同一地區(qū)同一線路運(yùn)行公交客車(chē)。另一方面為了進(jìn)行對(duì)比分析電池生產(chǎn)工藝等影響，選取了兩臺(tái)裝有同一電池廠家生產(chǎn)系統(tǒng)B的車(chē)輛，兩套電池系統(tǒng)分別命名為系統(tǒng)B1、B2，裝有系統(tǒng)B1和B2的車(chē)輛也為運(yùn)行在同一線路上車(chē)輛，同時(shí)選取車(chē)輛數(shù)據(jù)為同一時(shí)間周期數(shù)據(jù)，所以車(chē)輛外界環(huán)境對(duì)電池影響基本一致。車(chē)輛在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中電池管理系統(tǒng)BMS會(huì)將電池箱體內(nèi)部電池最高、最低單體電壓、最高、最低采集點(diǎn)溫度、電池系統(tǒng)總壓、總電流、SOC等關(guān)鍵參數(shù)上傳給監(jiān)控系統(tǒng)，然后由監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送至后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，本文數(shù)據(jù)為后臺(tái)大數(shù)據(jù)提取得到。

對(duì)于已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用的電池系統(tǒng)其對(duì)外直接表現(xiàn)形式就是溫度、電壓、SOC等關(guān)鍵參數(shù)，所以下面將就從溫度、電壓這兩個(gè)方面逐一進(jìn)行分析。

為了對(duì)單體電池不一致進(jìn)行分析，引入了溫差和壓差的比較，其中以電池系統(tǒng)內(nèi)最高溫度與最低溫度之間的差值定義為溫差，以電池系統(tǒng)內(nèi)最高電壓與最低電壓之間的差值定義為壓差。

2.1  溫差不一致性對(duì)電池壽命的影響
由于空間局限以及單體電池本體結(jié)構(gòu)的差異性，電池系統(tǒng)在集成設(shè)計(jì)時(shí)很難保證所有的單體處于完全一致環(huán)境。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，這必將導(dǎo)致處于緊密包圍中心的電池單體溫度會(huì)較其他單體電池高，這些因素最終必將導(dǎo)致電池之間的溫度存在差異。電池內(nèi)部溫度的差異會(huì)使電池使用溫度不一致，這也將帶來(lái)單體電池之間的不一致性，表征為單體電池的特性不一致及電池容量的衰減增加。

提取裝有兩套系統(tǒng)B1和B2車(chē)輛運(yùn)行一周時(shí)間的數(shù)據(jù)，對(duì)其對(duì)應(yīng)溫差進(jìn)行分析，見(jiàn)圖1。





從圖中可以看出兩套系統(tǒng)溫差差異非常大，系統(tǒng)B1最大溫差達(dá)到12℃，系統(tǒng)B2的最大溫差為6℃?？梢钥闯鱿到y(tǒng)B1內(nèi)部電池所處環(huán)境差異性較大。為了對(duì)比分析另一影響因素電池壓差，對(duì)裝有系統(tǒng)B1、B2的兩臺(tái)車(chē)輛的電池壓差進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。



由于為同一廠家生產(chǎn)，所以其電芯本體一致性及特性參數(shù)相對(duì)比較一致，而且兩臺(tái)車(chē)運(yùn)行在同一線路上，均為公交工況，所以可以認(rèn)為兩臺(tái)車(chē)運(yùn)行工況相對(duì)一致。對(duì)兩臺(tái)車(chē)搭載電池電壓進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)兩套系統(tǒng)壓差都比較大，壓差波動(dòng)也比較大，最大壓差均在0.25V左右，且均在SOC持續(xù)下降階段（行車(chē)放電階段）電池壓差較小，大約在0.1V以內(nèi)，在SOC持續(xù)上升末端（即充電末端）出現(xiàn)電池壓差急劇上升，所以從這些特性看出兩套系統(tǒng)在行車(chē)和充電過(guò)程中壓差變化趨勢(shì)及大小基本一致。

眾所周知，電池系統(tǒng)可以放出電量與充進(jìn)去電量直接相關(guān)，在車(chē)輛充電過(guò)程中電池的一致性問(wèn)題直接影響到電池的充電電量，所以電池的實(shí)際容量與以上幾點(diǎn)均相關(guān)。為了研究電池系統(tǒng)的容量與溫差一致性關(guān)系，選取系統(tǒng)B1、系統(tǒng)B2其中一次完整的充電過(guò)程作為研究對(duì)象，其充電過(guò)程相關(guān)參數(shù)如圖3。為了保護(hù)電池一般會(huì)在SOC低于20%時(shí)提醒用戶充電，所以充電起始SOC一般會(huì)大于20%，如圖3，兩套系統(tǒng)充電起始SOC也均大于等于20%。



車(chē)輛動(dòng)力電池充電為恒流充電模式，前期充電電流較大，在接近充電末期為了減小電化學(xué)極化會(huì)逐步降低充電電流直至電池單體達(dá)到充電上限電流。

圖3給出了裝有系統(tǒng)B1和B2電池系統(tǒng)兩臺(tái)車(chē)從約20%左右開(kāi)始充電直至充電截止全過(guò)程中電池系統(tǒng)最高、最低電壓及SOC參數(shù)變化，從圖中看出兩套電池系統(tǒng)的充電特性完全一致，在充電初期及充電后期由于單體電池不一致性部分單體電池極化大，電池電壓上升較快，充電過(guò)程中系統(tǒng)內(nèi)部逐漸達(dá)到平衡，極化減小，電池壓差減小，在充電末端電池內(nèi)部極化達(dá)到最大，單體電池的不一致性更加凸顯，表現(xiàn)為部分單體電壓急劇上升，而其他單體電池由于充電電流的減小極化逐漸減小，表現(xiàn)為電壓上升很慢，所以出現(xiàn)單體最低電壓為下降趨勢(shì)。為了研究電池一致性對(duì)電池壽命的影響，測(cè)試了兩臺(tái)車(chē)的電池實(shí)際容量，定義實(shí)際容量除以電池初始的額定容量的比值為電池容量保持率R，其結(jié)果如表1：



從表1結(jié)果來(lái)看，兩套系統(tǒng)的電池容量保持率基本一致，兩臺(tái)車(chē)使用年限也基本一致，所以可以預(yù)估兩套動(dòng)力電池使用壽命基本一致。結(jié)合前面分析的兩套電池系統(tǒng)溫差相差較大，壓差比較一致，可以得出在車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程中電池溫差的不一致性對(duì)電池使用壽命影響較小。另一方面，系統(tǒng)B1和系統(tǒng)B2為同一電池廠家生產(chǎn)，電池工藝及關(guān)鍵參數(shù)比較一致，所以兩套系統(tǒng)的容量衰減比較一致，這也說(shuō)明電池壽命與電池的本體特性關(guān)系更大。

2.2  電壓不一致性對(duì)電池壽命的影響

如下圖4(a)（系統(tǒng)A示例）為車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的充電功率與放電功率（放電功率為正向、回饋功率和充電功率為負(fù)），可以看出車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中功率需求是時(shí)刻變化的，相應(yīng)的電池的端電壓也是時(shí)刻變化的如下圖4(b)。



由于系統(tǒng)A與系統(tǒng)B2為兩個(gè)電池廠家生產(chǎn)，所以其電芯特性相差較大，據(jù)此我們對(duì)系統(tǒng)A、系統(tǒng)B2的溫差和壓差進(jìn)行逐一分析。系統(tǒng)A與系統(tǒng)B2在使用過(guò)程的電壓差見(jiàn)圖5。系統(tǒng)電池壓差通常在充電末端即圖中SOC逐漸上升達(dá)到100%時(shí)達(dá)到最大，兩套系統(tǒng)最大壓差均在250mv以上，但是系統(tǒng)A運(yùn)行過(guò)程中電池壓差均控制在50mv之內(nèi)，但是系統(tǒng)B2電池壓差較為分散，壓差整體比系統(tǒng)A大，特別是充電末端電池壓差增大明顯。

系統(tǒng)A與系統(tǒng)B2在使用過(guò)程的溫差如圖1，為了滿足運(yùn)營(yíng)需求，裝載系統(tǒng)A的車(chē)輛一周時(shí)間內(nèi)使用非常頻繁，除了夜間擱置之外，白天運(yùn)行時(shí)間大約在16小時(shí)左右。這種頻繁的使用對(duì)電池的一致性提出了更高的要求，電池系統(tǒng)A最高溫差達(dá)到12℃，大部分時(shí)間溫差在3-6℃之間。裝載系統(tǒng)B2與系統(tǒng)A使用情況不完全一致，車(chē)輛每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間大約在14小時(shí)左右。電池溫場(chǎng)相對(duì)均勻，95%以上在2-5℃之間。兩套系統(tǒng)在溫場(chǎng)分布上有明顯差異，系統(tǒng)A相對(duì)于系統(tǒng)B2溫差要大。





選取系統(tǒng)B2、系統(tǒng)A其中一次完整的充電過(guò)程作為研究對(duì)象，其充電過(guò)程相關(guān)參數(shù)如圖7。



在圖7中，系統(tǒng)B2充電過(guò)程電池在SOC兩端壓差明顯增加，在中間電壓平臺(tái)區(qū)壓差減小。這個(gè)與磷酸鐵電池特性有關(guān)，在SOC兩端，電壓上升趨勢(shì)相對(duì)陡，而在SOC中間區(qū)域電壓相對(duì)較平，所以電池一致性問(wèn)題在SOC兩端會(huì)體現(xiàn)得更為突出。而系統(tǒng)A從開(kāi)始充電帶充電到充電至SOC為98%時(shí)，電池壓差一直維持在50mV之內(nèi)，而電池端電壓是綜合各種影響因素體現(xiàn)出來(lái)的唯一直觀參數(shù)，所以這兩者對(duì)比很明顯發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A電池的一致性明顯比系統(tǒng)B2要好。為了研究電池一致性對(duì)電池壽命的影響，測(cè)試了兩臺(tái)車(chē)的電池容量，結(jié)果如表2：



SOC在新能源客車(chē)上是用戶能看到有關(guān)電池最為直觀的一個(gè)參數(shù)，所以其重要性是不言而喻的。戴海峰根據(jù)SOC定義分析認(rèn)為對(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)椋簡(jiǎn)误w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。而實(shí)際電池系統(tǒng)內(nèi)部通常是既有串聯(lián)也有并聯(lián)，所以以上幾個(gè)因素均會(huì)影響電池系統(tǒng)SOC一致性。

在系統(tǒng)中為了保護(hù)電池，通常SOC低端會(huì)以最低電壓作為修正條件，SOC高端則會(huì)以最高單體電壓作為修正條件。所以在電池SOC高低端時(shí)電池壓差對(duì)SOC一致性影響更大。在圖7中我們注意到系統(tǒng)B2由于在充電末端電壓差急劇增加，為防止單體電池出現(xiàn)過(guò)充問(wèn)題，以單體電池截止電壓作為充電終止條件。而此時(shí)電池最低電壓是急劇下降的，說(shuō)明電池系統(tǒng)內(nèi)大部分電池未充滿，所以在充電末端出現(xiàn)SOC跳變問(wèn)題，SOC直接由86%跳變到100%，所以出現(xiàn)系統(tǒng)B2的電池容量衰減更大。

兩臺(tái)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)時(shí)間一致，運(yùn)營(yíng)里程裝載系統(tǒng)A車(chē)輛略高于裝載系統(tǒng)B2車(chē)輛，但結(jié)果顯示電池系統(tǒng)B壽命衰減較大。結(jié)合前面提到溫差和壓差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)A溫差雖然較系統(tǒng)B略大，但是其壓差明顯比系統(tǒng)B小，最終電池系統(tǒng)A的電池壽命衰減卻要小，從這個(gè)我們可以得出，由于短板效應(yīng)電池系統(tǒng)的壽命衰減與電池本體一致性關(guān)系更大，電池溫差一致性如果在可接受范圍內(nèi)其對(duì)電池壽命衰減的作用要小于電池本體帶來(lái)的作用。鑒于這種情況，提升電池系統(tǒng)壽命還是需要從單體電池生產(chǎn)工藝一致性著手，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(lái)保證同批電池性能盡可能一致。同時(shí)應(yīng)開(kāi)發(fā)實(shí)用性電池組能量管理和均衡系統(tǒng)，提高電池均衡技術(shù)以提升電池一致性。

3  小結(jié)

受限于單體電池的電壓和容量，新能源客車(chē)通常由成百個(gè)甚至上千個(gè)單體電池串并聯(lián)形成電池組，而由于制造工藝和使用環(huán)境的不一致，單體電池間總是存在不可消除的不一致性。單體電池成組后，其能量密度，電池容量等性能都會(huì)因?yàn)閱误w電池間的不一致而下降，電池壽命衰減也會(huì)隨著不一致性增加而加快。

由于短板效應(yīng)電池系統(tǒng)的壽命衰減與電池本體一致性關(guān)系更大，電池溫差一致性相對(duì)對(duì)電池壽命衰減的作用要小于電池本體帶來(lái)的作用。鑒于這種情況，提升電池系統(tǒng)壽命還是需要從單體電池生產(chǎn)工藝一致性著手，同時(shí)提高電池均衡技術(shù)以提升電池一致性。