動力鋰電池離散特性分析與建模

　　動力電池組的工作特征取決于電動汽車的動力結構型式和控制策略， 在典型的城市行駛工況中， 動力電池組處于頻繁往復的不同倍率充放電， 電池的極化電壓得不到恢復。鋰離子電池充放電時發生極化， 由于歐姆極化和正極和負極的活化極化、濃差極化的存在， 電池工作端電壓可由式（ 9） 確定。

　　式中， U 為電池端電壓； E 為電池電動勢， R 為極板歐姆電阻， Re 為電解液歐姆電阻， I 為工作電流， η為過電位。從式（ 9） 可以看出， 電池工作電壓主要是由電池內部極化決定的， 在串聯電池組中， 流過每個單體的電流是相同的， 但單體工作電壓之間會存在離散現象。

基于對兩種國產正極材料的鋰離子電池模塊進行的恒流充放電試驗， 定義了用以描述電池模塊動態離散度對電池使用性能的影響系數： 充電容量損失系數εC和放電容量損失系數εd, 參見圖8 和表1、表2.

表1 LiFePO4 電池模塊在不同工作電流時的容量損失

表2 LiMn2O4 電池模塊不同溫度時的容量損失

　　圖8 中充電部分， 顯示了電池模塊恒流充電過程中最先和最后到達充電截止電壓4.25V 的兩塊單體的電壓曲線； 在放電部分， 顯示了電池模塊恒流放電過程中最先和最后到達放電截止電壓2.5V 的兩塊單體的電壓曲線。相對于最理想的工作情況， 即電池組中單體電壓始終保持一致， 并同時到達截止電壓。Q C,min 代表實際充電容量， Q C,max 代表理想的最大充電容量， 即電池模塊內電池電壓完全一致， 同時到達最高充電截止電壓時的充電容量。Q d,min 代表實際放電可用容量， Q d,max 代表理想的最大放電容量， 即單體工作電壓完全一致， 同時到達最低截止電壓時的放電容量。由于電池單體電壓之間的離散特性， 電池組（ 模塊） 的充電接收能力和放電可用容量都會有所損失。因此定義εC和εd 如下：

　　由表1 知， 對處于壽命初期的電池模塊來說， 在一個較短的時間歷程內（ 1 個月） , 不同倍率充放電電流對電池模塊內動態離散度的影響是有限的。εc和εd基本穩定， 沒有較為明顯的趨勢性變化。

　　由表2 可以看出， 隨著溫度的升高， 鋰離子電池內部活性物質的利用率逐漸增大， 可用容量增加； 在低溫時， 由于鋰離子在碳負極材料內部擴散速度變慢， 占據嵌鋰位置的部分鋰離子無法脫嵌， 不能參與放電過程， 導致隨著溫度的下降， 電池模塊可用容量顯著減少， 但是單體電壓不一致性的相對規律幾乎不受影響。

　　由表1 和表2 試驗數據看出， 以上兩電池模塊的一致性表現良好。由于實驗室設備和時間限制， 沒有考察兩組電池模塊在使用壽命中后期的離散度惡化程度， 即電池深度充放電循環和擱置狀態下容量衰減帶來的離散度變化。

　　4 電池組均勻性的影響因素分析和控制方法

　　4.1 電池組均勻性的影響因素

　　（ 1） 生產階段的因素。在生產過程中， 由于工藝和材料的問題會造成電池活性物質、隔膜、電解質等的微小差異， 使得同一工廠生產的同一批次、同一型號、同一規格的電池也不會完全一致， 這是造成電池組離散現象的最初根源。

　　（ 2） 使用過程的影響因素。a.過充電、過放電， 電池處于在高荷電狀態（ SOC>0.9） 、低荷電狀態（ SOC0.1） 下工作， 會導致電池組內部均勻性急劇惡化； b.

　　單體的容量、SOC 和充放電效率存在的差異； c. 溫度的影響， 包括電池組內單體與單體之間的溫度差異、單體電池自身不同部位的溫差、工作環境溫度的高低， 在短期內對電池均勻性的影響并不顯著； 但在電池壽命中后期階段的使用中， 由于兩類溫度差異的存在或者工作環境溫度長期偏離最佳使用溫度， 也會對均勻性造成不良影響； e. 各電池單體極板的腐蝕速率和自放電率的不同， 造成容量衰減的差異。

　　4.2 電池組均勻性的控制方法

　?。?1） 生產過程中對電池均勻性的控制。電池的結構設計要符合大規模機械化生產設備的要求， 通過自動化生產設備和正確的生產工藝， 尋找到能夠控制產品質量的工藝方法， 保證電池單體在內部結構和材料體系上的均勻性。

　?。?2） 使用過程中對電池均勻性的控制。a. 優化電池配組應用技術， 改進分選匹配技術， 保證電池組在使用壽命初期的均勻性； b. 優化電池內系統的設計，使電流密度盡可能均勻， 盡量弱化電池內部自身溫度不平衡的狀態， 確保使用過程中電池本體溫度變化一致； c. 采用盡可能減小電池接觸電阻的連接方式， 提高電池組的功率性能， 同時也可以減少電池的局部溫升； d. 準確測試每塊電池表面的冷卻風量、溫度和流速， 選擇科學、合理的通風結構， 使整個電池組的溫度場得以均勻， 以保證電池組使用過程中的環境一致性。

　　5 結語

　　運用數理統計工具對鋰離子電池組（ 60 單體） 恒流放電的電壓離散度進行了統計分析， 并對該電池組的離散化程度進行了定量研究， 對于保證電池組使用過程中的安全性， 是很有意義的。