纯电动汽车电池组均衡方法概述及系统实现

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1、纯电动汽车电池组均衡方法概述及系统实现第1章绪论1.1课题及研究意义本课题于吉林省高新电动汽车有限公司委托吉林大学开展的动力电池管理系统开发与电池均衡技术研究项目，主要针对项目中均衡技术相关内容展开研究。锂离子电池是目前纯电动汽车上应用最广泛的动力电池类型，在能量密度、循环寿命、自放电率等方面具有明显优势。正负极材料的电极电势决定了目前单节锂离子电压标称只有不到4V，而驱动纯电动汽车需要的电池电压高达上百伏甚至数百伏，因此必须将多节电池串联起来组成电池组，才能达到所需的电压等级，一般纯电动汽车电

2、池组中用于串联的单体电池至少几十节以上，有些达到上百节。当多节电池串联成组时，由于单体性能差异所引起的电池组不一致性问题就变得尤为明显。这里提到的不一致性问题指的是串联电池组内各单体之间存在的性能差异现象。由于不一致性的存在，锂离子电池组的可用容量和循环寿命远低于单体电池，电池效能得不到充分发挥，影响电动汽车的续驶里程[1][2]。单体电池间的不一致首先会降低电池组的最大可用容量，具体可用图1.1加以说明。假设a、b、c三节电池标称容量相同，但最大可用容量存在差异，电池b最小，若初始状态相同则在

3、充电过程中电池b将率先达到充电截止电压，如图1.1左侧所示，此时电池a和c仍有一定的可充容量，但是为了避免电池b过充，充电过程必须截止。同理，放电过程中电池b将率先达到放电截止电压，此时a和c中仍有相当的可放容量，但为避免电池b过放，放电过程必须截止。如此，电池组最大可用容量完全由可用容量最小的电池决定，在电池一致性较差的情况下，整组电池的容量利用率会降低。其次，不一致性问题还会导致电池组可用功率下降，特别是在电池电量较低时性能较差、内阻较大的电池会提前退出电压平台阶段，此时若整车需要大功率输出

4、可能会导致电池组瞬间达到截止电压，无法满足需求功率。再次，初始内阻或者最大可用容量有轻微差异的电池成组后，由于短板效应，在充放电容量相同的情况下不同电池的充放电深度会有所差异，最大可用容量较小的电池长期处于深充深放状态下，老化速度将加快，形成恶性循环，致使电池组不一致性呈扩大趋势，电池组的循环寿命将缩短。综上所述，不一致性会对电池造成一系列不良影响，如果不加以解决，就会在一定程度上增加纯电动汽车的使用成本，进而影响电动车的推广。目前的解决方法主要有以下几个方面：（1）减小初始差异。这是针对生产厂

5、家而言，应该提高电池的生产工艺和制造水平，保证出厂的同批次同型号电池各方面参数能够在最大程度上达到一致；（2）采用电池分选技术。电池供应商提供的成组电池应当是经过分选的，即采用一定的方法从同一批次电池中选出性能最接近的电池供应给整车厂，可以在一定程度上弥补由于生产造成的差异；（3）采用均衡管理技术。均衡管理技术的主要内容是实时检测电池组运行状态参数，以此为基础对电池组进行不一致性状态识别，满足设定的均衡条件后，利用均衡电路对个别单体进行充放电，最终使整组电池的不一致性得到改善。在电池管理系统基础

6、上引入均衡技术，对电池组进行均衡管理，既可以弥补初始性能差异造成的不一致性问题，又能避免使用过程中电池组不一致性不断扩大，不仅能够提高电池组的容量利用率，而且可使电池组使用寿命得到延长，特别是目前动力电池成本约占电动汽车成本三分之一甚至更高的背景下，采用均衡技术对降低电动汽车成本、促进推广具有重要意义。第2章锂离子电池组不一致性分析由于锂离子电池生产环节的复杂性，导致要保证同批次电池无论是内部化学物质分布还是外在特性的一致性都变得极其困难。于此同时，应用于纯电动汽车的动力锂离子电池组长期处于恶劣

7、的行车环境中，还需要承受随机性变电流充放电工况，这些外部环境及使用工况也会加速锂离子电池组一致性状况的恶化，并通过电压、容量、内阻的外部特征参数表现出来，进而影响其使用特性，本章将对锂离子电池不一致性产生的原因及表现展开分析。2.1锂离子电池组不一致性的产生原因2.1.1生产过程导致的不一致性由于生产过程中原材料的均一性以及各个环节生产环境及工艺水平的限制，导致即使同批次同型号电池依然会存在一定的差异性，这种差异又称为初始差异[23]。图2.1为同一批次50节20Ah锂离子电池容量分布，可以看出

8、容量差异十分明显且总体上呈正态分布。初始差异主要与原材料品质、生产环境的稳定以及生产过程的工艺水平和设备的精度有关，现阶段是不可避免的，只能逐步提高。一般来说，锂离子电池的生产流程包括以下几个步骤：配料、涂布、烘烤、辊压、卷绕/叠片、点焊、包装、注液、化成、分容以及外包和出厂,如图2.2所示。几乎每个环节都存在产生差异性的隐患，尽管差异十分微小，但是经过多个环节后，差异可能会呈几何倍数放大，产生难以预期的后果。配料过程主要用于制备均匀的正、负极浆料，该过程涉及到的混合分散工艺对电池品质的影响可达