动力电池组特性分析与均衡管理

2011-03-11 19:02:03来源: EEWORLD 关键字: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

  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。

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,进入放电平台期,电压变化不明显,放热反应加电阻释热使电池温升较高。放电电压曲线近似单体放电曲线,持续放电,电压曲线进入马尾下降阶段,极化阻抗增大,输出效率降低,热耗增大,接近终止电压时停止放电。

  上述过程用恒流特性模拟负载电机,实际汽车在行使中,电机输出功率的变化很复杂,电流双极性变化,即使匀速行使,路面颠簸、微小转向都使输出功率实时变化,在短时间段里,可以用恒流放电模拟分析,总之大的方向是放电,偶尔有不规则的零脉冲(无逆变功能)或负脉冲(有逆变功能,电池被充电)出现。

  2.4 过放电

  考虑组内单体电池,必有相对的过放电情况。在放电后期,电压接近马尾曲线,组中单体容量正态分布,电压分布很复杂,容量最小的单体电压跌落得也就最早、最快,若这时其它电池电压降低不是很明显,小容量单体电压跌落情况被掩盖,已经被过度放电。

  观察单体过放情况,进入马尾曲线以后,若电流持续较大,电压迅速降低,并很快反向,这时电池被反方向充电,或称被动放电,活性物质结构被破坏,另一种副反应很快发生,过一段时间,电池活性材料接近全部丧失,等效为一个无源电阻,电压为负值,数值上等于反充电流在等效电阻上产生的压降,停止放电后,原电池电动势消失,电压不能恢复,因此,一次反充电足以使电池报废。

  组中单体过放容易发生不易控制,电机控制器的限压限流办法都不起有效作用,电池输出功率的变化产生的欧姆、极化电压波动足以淹没单体电压跌落信号,组电压监视失去意义。

  2.5 经济速度与续驶里程

  传统汽车以经济速度行驶耗油最省,用百公里耗油量评价,经济速度由发动机效率、动力传动效率和摩擦力决定,电动汽车也有经济速度,由电池使用效率、电动机和控制器效率、摩擦阻力决定,经济速度与电池组内阻有直接关系,在一定范围内变化。以经济速度行驶,电动汽车能达到最大的续驶里程。固定整车和电动机,续驶里程可以考察动力电池组的能量供给能力,经济速度反映了电池组功率提供能力,电动汽车希望动力电池组能提供大容量和高功率。

  

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