动力电池组特性分析与均衡管理(哈尔滨正达）

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动力电池组特性分析与均衡管理
陈守平，张 军, 方英民，梁 毅

摘要：电池组有区别于单体电池的额外特性，基于目前的动力电池设计与制造技术水平，单体之间的性能差异在其整个生命周期里客观存在，要想避免单体由于过充、过放导致提前失效，使电池组的功能和性能指标达到或者接近单体的平均水平，对电池组中单体之间实现均衡控制和管理是必由之路。电池组均衡管理是一门先进的电池组使用技术，需要结合动力电池电化学模型、电子电源和计算机控制等多学科技术的最新研究成果，进行创新设计。
关键词：锂离子电池、动力电池组、蓄电池组、电池组使用技术、均衡控制、电池组管理

0 前言
　　被认为是未来汽车的电动汽车是电动源、电机和整车三大技术的结合体，电动源是电动汽车的核心部件，目前已经形成动力锂离子电池及其专用材料的开发热潮。做为一种新型的动力技术，锂电池在使用中必须串联才能达到使用电压的需要，单体性能上的参差不齐并不全是缘于电池的生产技术问题，从涂膜开始到成品要经过多道工序，即使每道工序都经过严格的检测程序，使每只电池的电压、内阻、容量一致，使用一段时间以后，也会产生差异，使得锂动力电池的使用技术问题迫在眉睫，而且必须尽快解决。
　　动力电池组的使用寿命受多种因素影响，如果电池组寿命低于单体平均寿命的一半以下，可以推断都是由于使用技术不当造成的，首要原因当推过充和过放导致单体电池提前失效。本文结合锂动力电池特性、电子电源、计算机控制技术研究动力电池组的使用技术，探讨动力电池组的均衡控制和管理。
1 动力电池主要性能参数
1.1 电压
　　开路电压=电动势+电极过电位，工作电压=开路电压+电流在电池内部阻抗上产生的电压降。电动势由电极和电解质材料特性决定，电极的过电位与材料活性、荷电状态和工况有关。金属锂标准电极电位-3.05V，3V锂电池3.3~2.3V，4V锂4.2~3.7V，5V锂4.9V~3.0V。
1.2 内阻
　　电池在短时间内的稳态模型可以看作为一个电压源，其内部阻抗等效为电压源内阻，内阻大小决定了电池的使用效率。电池内阻包括欧姆电阻和极化电阻两部分，欧姆电阻不随激励信号频率变化，又称交流电阻，在同一充放电周期内，欧姆电阻除温升影响外变化很小。极化电阻由电池电化学特性对外部充放电表现出的抵抗反应产生，与电池荷电、充放强度、材料活性都有关。同批电池，内阻过大或过小者都不正常，内阻过小可能意味材料枝晶生长和微短路，内阻太大又可能是极板老化、活性物质丧失、容量衰减，内阻变化可以作为电池裂化的充分性参考依据之一。
1.3 温升
　　电池温升定义为电池内部温度与环境温度的差值。多数锂电池充电时属吸热反应，放电时为放热反应，两者都包含内阻热耗。充电初期，极化电阻最小，吸热反应处于主导地位，电池温升可能出现负值，充电后期，阻抗增大，释热多于吸热，温升增加，过充时，随不可逆反应的出现，逸出气体，内压、温升升高，直到变形、爆裂。
1.4 内压
　　电池内部压力，由于电池内部反应逸出气体导致气压增大，气压过大将撑破壳体和发生爆裂，基于安全考虑，一方面锂电池都设计了单向的防爆阀门，一方面用塑壳制造。析气反应常伴随着不可逆反应，也就意味着活性物质的损失、电池容量的下降，无析气、小温升充放电是最理想的。
1.5 电量
　　电学里，电量用Wh表示，是能量单位，一度电等于1kWh，电池常用Ah计算电量，对于动力电池侧重于功率和能量大小，用Wh更直接一些，因为电池的电压是变化的，其全程变化量可达到极大值的一半左右，用Ah计算电量不能正确描述电池的动力驱动能力，但Ah作为电池的电量单位自有其历史和道理，在不引起歧义的地方两种电量单位都可以使用。
1.6 荷电
　　电池还有多少电量，又称剩余电量，常取其与额定容量或实际容量的比值，称荷电程度。是人们在使用中最关心的、也是最不易获得的参数数据，人们试图通过测量内阻、电压电流的变化等推算荷电量，做了许多研究工作，但直到目前，任何公式和算法都不能得到统计数据的有效支持，指示的荷电程度总是非线性变化。
1.7 容量
　　电池在充足电以后，开始放电直到放空电为止，能输出的最大电量。容量与放电电流大小有关，与充放电截止电压也有关系，故容量定义为小时率容量，动力电池常用1小时率（1C）或2小时率(0.5C)容量。电池在化成之前材料的活性不能正常发挥，容量很小，化成过程开始后，电池进入其生命期，在整个生命期里，电池的活化和劣化过程是一个问题的两个方面，初期活化作用处于主导地位，电池容量逐渐上升，以后，活化和劣化作用都不明显或相当，后期，劣化作用显著，容量衰减，规定容量衰减到一定比例(60%)后，电池寿命终结。
1.8 功率
　　电学定义直流电源的输出功率等于输出电压与电流的乘积，锂电池单体电压高，在相同的输出电流下，其功率分别是铅酸、镍镉镍氢的1.8倍和3倍。电动汽车用动力电池组的负载是电机控制器，电机控制器根据车速变化调整输出功率，短时间来看，电池组驱动的是恒功率负载，这个功率变化的范围极大，制动时有与加速时相近的反向逆变功率。
1.9 效率
　　电池的效率指电池的充放电效率或能量输出效率，本文指后者。对于电动汽车，续驶里程是最重要指标之一，在电池组电量和输出阻抗一定的前提下，根据能量守恒定律，电池组输出的能量转化为两部分，一部分作为热耗散失在电阻上，另一部分提供给电机控制器转化为有效动力，两部分能量的比率取决于电池组输出阻抗和电机控制器的等效输入阻抗之比，电池组的阻抗越小，无用的热耗就越小，输出效率就更大。
1.10 寿命
　　单体电池寿命定义和测试程序已被人们普遍接受并形成许多标准，测试寿命时，可保证不过充、过放，也就不会提前失效，与单体不同，电池组的寿命测试目前的做法不科学，在一定程度上限制了动力锂电池的实用化进程。提供者强调每只电池的电压不可超越规定的限值，电池组的寿命应该是各单体电池寿命的最小者，其值应该与单体平均寿命相差不会太多，测试人员模拟电池组使用情况，用对单体电池相同的方法测试寿命，电压限值取单体电压限值与数量乘积，实际限制的是单体平均电压，组内单体电压有低有高，对于几十只、上百只的电池组，电压、容量、内阻的差异性总是客观存在的，过充过放无法避免，并且一旦发生相关电池将很快报废，因此就出现专家组测试的电动汽车动力电池组的寿命还没有突破过百次。
1.11 安全
　　动力电池的工作条件苛刻，主要的安全问题是电池自身爆炸、燃烧和导致的电火，在电动汽车研发进程中，发生过多次起火事件，对电动汽车的发展造成了负面影响，通过多种渠道了解，在这些事故中，有电池自燃的，有车辆被烧毁的，甚至动用消防队灭火，许多单位顾忌影响而施行保密策略，事发第一现场很难到场，总结这些不完全的事故信息，初步有以下推断：
· 长期在库存的电池未发生过自燃和爆炸，运输过程中也没出现自燃的；
· 电池爆炸发生于充电后期或已经结束，充电设备和方法难脱干系；
· 外部电路短路可以造成强电弧或使导线燃烧，也可以导致自燃，一般的电压、电流源都有此特性；
· 用组电压或电流限制不能避免电池的过充过放；
· 过充电可能使电池变形、失效、燃烧、甚至爆炸，过放电（反充电）一次足以使电池报废；
· 一些受试电池通过了苛刻的用冲锋枪射击、挤压破裂短路、水淋、水泡等安规测试。
总之，电池的正确使用技术是非常重要的。
2 动力电池组充放电特性
　　以单体电池为动力源如移动电话，电源管理技术已经十分完善，但在电池组中，单体之间的差异总是存在的，以容量为例，其差异性永不会趋于消失，而是逐步恶化的。组中流过同样电流，相对而言，容量大者总是处于小电流浅充浅放、趋于容量衰减缓慢、寿命延长，而容量小者总是处于大电流过充过放、趋于容量衰减加快、寿命缩短，两者之间性能参数差异越来越大，形成正反馈特性，小容量提前失效，组寿命缩短，在下文的充放电特性分析中就必须包含过充电和过放电过程。
2.1 充电
　　目前锂电池充电主要是限压限流法，初期恒流(CC)充电，电池接受能力最强，主要为吸热反应，但温度过低时，材料活性降低，可能提前进入恒流阶段，因此在北方冬天低温时，充电前把电池预热可以改善充电效果。随着充电过程不断进行，极化作用加强，温升加剧，伴随析气，电极过电位增高，电压上升，当荷电达到约70~80%时，电压达到最高充电限制电压，转入恒压(CV)阶段。理论上并不存在客观的过充电压阈值，若理解为析气、升温就意味着过充，则在恒流阶段末期总是发生不同程度的过充，温升达到40~50摄氏度，壳体形变容易感测，部分逸出气体还可以复合，另一些就作为不可逆反应的结果，损失了容量，这可以看作电流强度超出电池接受能力。在恒压阶段，有称涓流充电，大约花费30%的时间充入10%的电量，电流强度减小，析气、温升不再增加，并反方向变化。
2.2 过充电
　　上述过程考虑电池组总电压或平均电压控制，其实总有单体电压较高者，相对组内其它电池已经进入过充电阶段。过充电时，若在恒流阶段发生，由于电流强度大，电压、温升、内压持续升高，以4V锂为例，电压达到4.5V时，温升40度 、塑料壳体变硬，4.6V时温升可达60度、壳体形变明显并不可恢复，若继续过充，气阀打开、温升继续升高、不可逆反应加剧。恒压阶段，电流强度较小，过充症状不如恒流阶段显著。只要温升、内压过高，就伴随副反应，电池容量就会减少，而副反应具有惯性，发展到一定程度，可能在充电中也可能在充电结束后的短时间里使电池内部物质燃烧，导致电池报废。过充电加速电池容量衰减、导致电池失效，百害无一利。
2.3 放电
　　恒流放电时，电压有一陡然跌落，主要由欧姆电阻造成压降，这电阻包括连接单体电极的导线电阻和触点电阻，电压继续下降，经过一段时间以后，到达新的电化学平衡，进入放电平

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单向型 双向型
单体到组 组到单体

图1 Buck 或 Boost单向与双向型变换器

　　最先进的均衡方案是从单体到单体，从高压单体直接把能量变换到低压单体，具有最佳的均衡效率，实现难度也较大。按单体容量大小排序C1>C2>…>Cn，n是串联单体数量，平均容量为Ca=(C1+C2+…Cn)/n,设第k只单体容量最接近平均值，即Ck=Ca,则均衡系统的目标是从C1,C2,…,Ck-1取出能量Cout=(C1+C2+…+Ck-1)-(k-1)Ca，转移到Ck+1,Ck+2,…,Cn。考虑到能量变换效率d，k值需要适当后移。
3．6 集中与分散
　　当把上述单向和双向变换器接向组电压的所有绕组合并为一个绕组后，就得到图2所示的集中式变换器，优点是变换器成本和技术复杂度大幅降低，主要缺点有：低压绕组到各单体之间的导线长度和形状不同，变比有差异，均衡误差大。另一方面，变换器与电池组之间的n+1条功率导线的布线工艺不容易设计，车辆行驶过程中对导线的拉伸和剪切给安全带来隐患。

　
单体到组 组到单体 双向 飞渡电容

图2 集中式变换器

　　基于成本和均衡效率考虑，集中式可应用于助力车等中小功率、以及电池组无振动或移动的场合。一种使用单只电容器循环均衡每只单体的方法暂称飞渡电容法，也属于集中式。特点是均衡功能直接通过电容器充放电进行，但开关上瞬间开启电流很大，易出现电弧或电磁干扰，开关触点压降直接影响均衡效果。
3.7 独立与级联
　　一种均衡思路让每两只邻近的单体实现均衡，进而达到各单体之间的均衡。图3列出了3种电路形式，双向Buck Boost变换器利用电感传能，双向Cuk和开关电容网络利用电容传能，存在实现问题，设想一种情况，组中高压单体与低压单体之间间隔数只单体，从高压单体导出能量给低压，需要多只级联的变换器同时工作，到达目的单体的能量转换效率极低，极端情况与能耗型变换器接近。

双向Buck Boost 双向Cuk 开关电容网络

图3 级联式变换器

3.8 效率与安全
　　动态均衡尤其在使用放电过程中，变换器的热耗取自电池组能量，由于单体电压较低，变换器效率是一个设计难点，须采纳和借鉴当代电源电路的最新设计技术，如同步整流、软开关等。
参数超限报警、热保护等常规检测功能是必不可少的，车内环境长期处于颠簸和振动，配线工艺、禁锢结构都须认真设计，导线外皮磨损破裂短路，可能导致与电池性能无关的火灾隐患，就变换器而言，还需要考虑浪涌抑制、过压过流保护、电磁兼容等问题，可靠性是均衡器的的另一个设计难点。
3.9 控制与管理
　　均衡控制方案不同，管理系统复杂程度也不一样，被动型均衡由充电器调整输出电压和电流，最简单，均衡能力也最差。国外产品有采用主辅模块的分布式管理结构，如德国Kaiserse Lautern大学，辅模块相当于独立式均衡器，主模块完成管理系统的功能，两者通过现场总线联接。有采用分级管理，如Honda公司的电池组管理系统, 上级模块管理下级模块，下级模块管理12只电池。有充电均衡管理系统，如芬兰AC Electric Vehicles公司的铅酸电池组均衡模块。
　　在控制策略方面，要求把电池电化学特性、电源技术、控制技术相结合，电动汽车在行使中随时会出现加速、滑坡、堵转、刹车等情况，电池组输出的电流和功率呈双极性变化，各种阻抗特性和电机控制器的调制特性都给电池组电压变化带来复杂性，管理决策不能仅依据简单公式计算，应避免往复均衡，造成电池能源的浪费。
3.10 均衡小结
· 断流后其它电池可能过载输出；
· 能耗浪费电能，温升降低可靠性；
· 静态均衡得不偿失，充电均衡加剧小容量过放电，放电均衡加剧小容量过充电；
· 单向均衡不适于动态均衡；
· 大功率、环境差尽可能分散均衡，低成本、小功率也可以集中均衡；
· 独立均衡效果好，级连均衡效率低；
· 同步整流、软开关利于提高能量变换效率；
· 均衡算法根据电池组模型智能控制，节约并且安全。
4 研制介绍
系统由一个主控单元和若干个均衡模块组成，两者通过信号总线和功率总线联接。主控单元包括电源变换器和嵌入式单片机，电源变换器从电池组提取电能提供辅助电源，单片机通过信号总线从均衡器采集数据和控制均衡器输出，可同时挂接200个均衡模块，在LCD上显示实时数据，通过接口可与中央控制单元进行实时通信，数据包括组电压、电流、环境温度、容量等电池组信息，和电压、电流、容量、温度等单体数据，可以手动禁止均衡对比观测电池组自然工作情况。
均衡器由双向高频开关电源电路完成，目标电池取100Ah4V锂离子动力电池，均衡器单体端电压范围2.5~5V,最大功率50W，数据量化分辨率10bitADC，每个均衡器对应一只单体电池，平面尺寸按照目标电池截面尺寸设计，可测量单体电压、电流、温升，推算荷电、内阻等，认真考虑了热保护和故障安全设计。信号总线采用RS485工业标准，与功率总线间接共地，总线不含高压，按最少芯数设计，柔性联接，抗振动、颠簸。
　　目标电池按两组进行，72只电池组安装在一台电动轿车上，用于考核可靠性；16只电池组在实验室中进行计量和算法测试，电动轿车的输出功率0-60kW，逆变功率0-50kW。当电池组为提高输出功率有并联支路时，支路电压自然均衡，每个电池组可以只使用一套均衡系统；
5 结语
　　均衡系统功率能力有限，期望均衡器代替单体更多功能不合理，单体互差应在一定限度内；
电池组开始使用均衡系统的时间越早效果越好，不能修复以前的劣化，只能使以后的差异性不再继续恶化，长时间来看可能趋于好转；
新旧电池搭配成组总是不合适的，电特性在较长时间不能平衡；
所有二次电池电压都有特定的安全范围，均衡控制原理也适用于其它二次电池组，包括超容电容器组；
基于电池模型和均衡控制可以实现电池组快速、析气少、温升低的智能充电；
目前，动力电池产业规模还未真正形成，产品质量特性不能很稳定，电池组使用技术阻碍了产业发展，均衡系统可加速动力电池产业化进程，动力电池和电动汽车技术的发展又将为均衡系统带来更大的市场需求，均衡系统的发展方向是低成本、高功率密度、高效率和高可靠性。
参考文献
[1]宋清山.组合形式对Cd-Ni蓄电池组寿命的影响.电池工业，2003，6（45）
[2]吴宇平、万春荣、姜长印.锂离子二次电池.化学工业出版社，2002
[3]周志敏、周继海.开关电源实用技术.人民邮电出版社，2003
[4]曹楚南、张鉴清.电化学阻抗谱导论.科学出版社，2002

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