电源技术
研 究 与 设 计
Chinese Journal of Power Sources
阶段) ,不一致性有了一定的体现 ,在电池深放电 (80 %以上) 时 电池不一致性成为影响电动汽车行驶性能的重要因素 。在此 情况下 ,单电池的最高电压为 3. 3 V ,在锂离子蓄电池的正常工 作电压范围 (2. 8～4. 25 V) 之内 ;最低电压为 2. 5 V ,超出了电 池的最低电压 ,电池间的电压差为 0. 8 V 。若继续行车使电池 组放电 ,电压较低电池因没有能量可以放出 ,将产生永久性损 失 。若坏电池没有被及时发现 ,使其和正常电池一起使用 ,将 成为电池组的负载 ,影响其他电池的工作 ,进而影响整个电池 组的寿命 。所以在电池组不一致性明显增加的深放电阶段 ,不 能再继续行车 ,从而使电动汽车的续驶里程受到影响 。 在车辆行驶的动态过程中 ,电池的电压不一致性表现也十 分明显 。以试验用电动大客车采用的铅酸蓄电池组中串联的 两块电池为例 。如图 2 所示 ,图的下部是行车过程中电池组电 流的变化情况 ,上部对应是串联组中两块电池端电压的变化情 况 。在放电前 ,两块电池的电压基本一致 。在放电的过程中 , 两块电池电压逐渐表现出差别 。在放电瞬时 ,两块电池的电压 差最大可达 0. 5 V 。在图中还可以看出 ,两块电池的电压处于 交替状态 ,并非在一个瞬时电压高的在下一个瞬时电压也高 。 两块电池电压变化总的情况只与电流有关 ,放电电流大时 ,电 压低 ;电流小时 ,电压高 。在放电前期 、中期和后期的三个怠速 段 ,即电流为零时 ,电池的平稳电压逐步下降且在平稳段电压 差明显减小 ,趋于一致 ,由此也可以说明 ,在短时放电后 ,电池 的静态电压基本没有差别 。
出的电能 ,等于放电电流与放电时间的乘积 。容量不一致性的
影响可以分为 3 个方面 : (1) 电动汽车行驶距离相同 ,因容量不
同 ,电池的放电深度也不同 。在大多数电池还属于浅放电情况
下 ,容量不足的电池已经进入深放电阶段 ,并且在其他电池深
放电时 ,低容量电池可能已经没有电量放出 ,成为电路中的负
电池放电深度不同 。
在充电过程中 ,由于内阻不同 ,分配到并联组的充电电流
不同 ,充电容量为 Ct ∫t I ( t ) d t ,所以相同时间内充电容量不 同 ,即电池的充电速度不同 ,从而影响整个充电过程 。在实际
国家 863 计划电动汽车重大专项及北京绿色奥运规划将 对北京市电动汽车发展起到重大推动作用 。为了提高电动汽 车的动力性和续驶里程 ,比能量高 、比功率大 、使用寿命长 、安 全性能好的电池是动力电池研究的重点 。但由于种种原因 ,动 力电池技术一直未有质的突破 。在现有电池技术水平下 ,电动 汽车必须使用多块电池构成的电池组来满足使用要求 。但由 于电池性能的不一致 ,动力电池组在电动汽车上使用的性能指 标达不到单电池原有的水平 ,使用寿命缩短数倍甚至十几倍 , 严重影响了电动汽车的开发和应用 。在此前提下 ,电池组的不 一致性研究将有助于电池在使用中发挥最大效能 ,大大提高电 动汽车的行驶性能 。本文通过电动公交车的运行试验 ,对电动 汽车常用的锂离子动力蓄电池组和铅酸动力蓄电池组不一致 性进行了研究 。对不一致性的形成原因进行了分析 ,并给出了
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电动汽车动力蓄电池组不一致性统计分析
王震坡 , 孙逢春 , 张承宁
(北京理工大学 机械与车辆工程学院 ,北京 100081)
摘要 :国家 863 计划电动汽车重大专项及北京绿色奥运规划将对电动汽车发展起到重大推动作用 。通过电动公交车的 运行试验 ,对电动汽车用动力电池组不一致性表现形式和形成原理进行了研究 ,重点讨论了电池组的电压不一致性 ,对 不一致性分布规律进行了总结 ,指出了电压不一致性与使用时间的关系 ,确定了其理论正态分布的基本参数 ,并检验了 理论与实际分布的接近度 。提出了在使用中防止电池组不一致性扩大的措施 。 关键词 :电动汽车 ;动力电池组 ;不一致性 ;统计 ;正态分布 中图分类号 : TM 912 文献标识码 :B 文章编号 :10022087 X(2003) 0520438204
收稿日期 :2002211216 基金项目 “: 863”电动汽车重大专项纯电动大客车项目 ( 2002 AA 501800) 作者简介 :王震坡 (1976 —) ,男 ,河北省人 ,博士生 ,主要研究方向 为电动汽车 。 Biography : WAN G Zhen2po (1976 —) ,male , candidate for Ph D.
battery in dynamic state
2 电池不一致性形成原因分析 蓄电池不一致性产生的原因有两个方面 : (1) 在制造过程 中 ,由于工艺上的问题和材质的不均匀 ,使得电池极板活性物 质的活化程度和厚度 、微孔率 、连条 、隔板等存在很微小的差 别 ,这种电池内部结构和材质上的不完全一致性 ,就会使同一 批次出厂的同一型号电池的容量 、内阻等不可能完全一致 ; (2) 在装车使用时 ,由于电池组中各个电池的电解液密度 、温度和 通风条件 、自放电程度及充放电过程等差别的影响 ,在一定程 度上增加了电池的电压 、内阻及容量等参数的不一致性[1 ] 。 根据使用中电池组不一致性扩大的原因和对电池组性能 影响方式 ,可以把电池的不一致性分为容量不一致 、电阻不一 致和电压不一致 。下面仅从电工学的角度对各种电池组不一 致性在使用过程中扩大的原因进行详细分析 。 2. 1 容量不一致 电池容量是以安时数来衡量的 ,实际容量是蓄电池所能输
不一致 ,随着充电过程的进行 ,内阻大的电池电压可能提前到
达充电的最高压极限 ,由此为了防止内阻大的电池过充电和保
证充电安全而不得不在大多数电池还未充满的情况下停止充电 。
图 2 电动大客车铅酸蓄电池组动态电压不一致性 Fig. 2 Voltage inconsistency of electric vehicle lead2acid
Study on inconsistency of electric vehicle battery p ack
WAN G Zhen2po , SUN Feng2chun , ZHAN G Cheng2ning
( School of Mechanical & V ehicular Engi neeri ng , Beiji ng I nstit ute of Technology , Beiji ng 100081 , Chi na)
Fig. 4 Resistance inconsistency of t he parallel battery
设 E1 = E2 ,则 I1 R1 = I2 R2 = 常数 。 所以内阻大的电池 ,电流小 。反之 , 内阻小的电池 ,电流大 。从而使电池 在不同的放电率下工作 ,影响电池组 寿命 。与此同时 ,电池放出的能量为 W = W ’I ,在 I1 ≠I2 的情况下 ,电池 放出能量不同 ,使相同工作条件下的
载 ; (2) 同一种电池都有相同的最佳放电率 ,容量不同 ,最佳放
电电流就不同 。在串联组中电流相同 ,所以有的电池在最佳放
电电流工作 ,而有的电池达不到或超过了最佳放电电流 ; (3) 在
充电过程中 ,小容量电池将提前充满 ,为使电池组中其他电池
充满 ,小容量电池必将过充电 ,充电后期充电电压偏高 ,甚至超
图 1 不同放电深度电压不一致性 Fig. 1 Voltage inconsistency of different discharge dept h
Vol. 27 No. 5 438 Oct . 2003
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2. 2. 2 并联组
图 4 中 , E1 = I1 R1 + I R , E2 = I2 R2 + I R 。 E1 、E2 为电池端电压 ,
R1 、R2 为电池内阻 , I1 、I2 为 E1 、E2
支路电流 , I 为电路总电流 。
在放电过程中 ,为便于计算 ,假
图 4 并联蓄电池组 电阻不一致性
Abstract : Specialized elect ric vehicle ( EV) project of t he national 863 project and Beijing Green Olympic project will improve EV develop ment condition. According to t he test of EV bus , t he expressive form and generation principle of t he battery pack imconsistency were st udied ; voltage inconsistency was mainly discussed. Regulari2 ties of dist ribution were generalized ; commection of voltage inconsistency and service time was showed ; t heoreti2 cal nomal dist ribution and it s basic parameters were determined ; and conformity between t heory and practice was verified. In t he end , t he measures were brought forward to prevent f rom enlarging t he battery pack inconsisten2 cy. Key words : elect ric vehicle ; battery pack ; inconsistency ; statistic ; normal dist ribution