动力电池一致性及电池组寿命：电动汽车原理与应用技术成果

电池一致性是指同一规格型号的单体电池组成电池组后，其电压、荷电量、容量及其衰退率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。但有时电池不能表现出一致性，主要表现在两个方面：

①制造过程中的差异引起的单体原始差异：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、内阻等参数不可能完全一致。

②在装车使用时的环境差异引起的单体退化差异：由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液密度等差别的影响，在一定程度上增加了电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。

（1）电池一致性的分类

根据使用中电池组不一致性扩大的原因和对电池组性能的影响方式，可以把电池的一致性分为容量一致性、电压一致性和电阻一致性。

①电压一致性：电压不一致的主要影响因素在于并联组中电池的互充电，当并联组中一节电池电压低时，其他电池将给此电池充电。并联电压不一致性如图4-21所示，设U₁的端电压低于U₂，则电流方向如图4-21所示，如同电池充电电路。这种连接方式，会使低压电池容量小幅增加的同时高压电池容量急剧降低，能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出。

图4-21 并联电压不一致性

若低压电池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，否则会造成低容量电池过放电，影响电池组的使用寿命。

电池静态（电池静止1h以上）开路电压在一定程度上是电池SOC的集中表现。由于电池SOC在一定范围内还与电池开路电压呈线性关系，开路电压不一致也在一定程度上体现了电池能量状态的不一致。

②容量一致性：电池组在出厂前的分选试验可以保证单体电池初始容量一致性较好，在使用过程中可以通过电池单体单独充放电来调整单体电池初始容量，使之差异性较小，所以初始容量不一致不是电动汽车电池成组应用的主要矛盾。在电池组实际使用过程中，容量不一致主要是电池起始容量不一致和放电电流不一致综合影响的结果。

③内阻一致性：电池内阻不一致使得电池组中每个单体在放电过程中热损失的能量各不相同，最终会影响电池单体的能量状态。

（2）电池组电压一致性的发展规律

随使用时间和行驶里程的增加，电池的不一致程度逐渐增加。最直观的反映为运行一段时间后，单体电池电压不一致程度增加。下面以某锂离子电池组为例，说明电池组在使用过程中电压一致性的分布规律，如图4-22所示。

图4-22 电压不一致性统计结果

从图中可以看出，最初电压在4.15～4.16V出现的概率最大，随着时间的推移，概率最大电压段有上升到4.16～4.17V的趋势。随着使用时间的增加，电池组的电压分散程度增加，表现为概率分布的峰值随时间逐步降低，最低电压和最高电压在两个方向上延伸；另一方面，各个电压段的概率值在峰值两端基本呈对称分布且呈逐步下降趋势，分布状态与正态分布相似。

（3）提高电池一致性的措施

电池组的一致性是相对的，不一致性是绝对的。电池的不一致性在生产阶段就已经产生了，在应用过程中，需要采取一定的措施减缓电池不一致性扩大的趋势或速度。根据动力电池应用经验和试验研究，常采用如下8项措施，保证电池组寿命逐步趋于单体电池的使用寿命：(www.xing528.com)

①提高电池制造工艺水平，保证电池出厂质量，尤其是初始电压的一致性。同一批次电池出厂前，以电压、内阻及电池化成数据为标准进行参数相关性分析，筛选相关性良好的电池，以此来保证同批电池的性能尽可能一致。

②在动力电池成组时，务必保证电池组采用同一类型、同一规格、同一型号的电池。

③在电池组使用过程中检测单电池参数，尤其是动、静态情况下（电动汽车行驶或停驶过程中）的电压分布情况，掌握电池组中单体电池不一致性的发展规律，对极端参数电池及时进行调整或更换，以保证电池组参数不一致性不随使用时间而增大。

④对使用中发现的容量偏低的电池进行单独维护性充电，使其性能恢复。

⑤间隔一定时间对电池组进行小电流维护性充电，促进电池组自身的均衡和性能恢复。

⑥尽量避免电池过充电，尽量防止电池深度放电。

⑦保证电池组良好的使用环境，尽量保证电池组温度场均匀，减小振动，避免水、尘土等污染电池极柱。

⑧采用电池组均衡系统，对电池组充放电进行智能管理。

（4）一致性对电池组寿命的影响

电池组寿命的影响因素除了单体本身所含因素以外，还包括单体电池之间的一致性水平，电池组的成组方式又影响着电池组内单体间的一致性水平。在车辆应用过程中，主要体现在以下因素差异：

①温度差异：布置的要求不同，在电动汽车上电池的安装位置也有所不同，电池所处的热环境会存在差异，如某箱电池可能靠近电机等热源，而部分电池可能处于通风状况良好的区域；同一位置的电池内由于通风条件的差异，也会导致单体间的温差不同。

②充放电倍率差异：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，即由于电池的不一致性，在工作过程中的放电率有差异。

③放电深度差异：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的情况下，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可以放出，成为电路中的负载。即容量不一致，会导致放电深度有差异。

④电池单体与电池组的可用容量差异：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，甚至超出电池电压最高限，形成安全隐患，影响整个电池组充电过程，而且过充电将严重影响电池的使用寿命。

各种一致性水平的差异导致了电池组寿命与电池单体寿命存在较大差异。另外，不一致参数之间并不是相互独立的，而是相互影响、互为因果关系的。电池初始容量不一致及衰退速度不一致是造成荷电状态不一致的原因，而所有的不一致性最直接的表现形式就是电池电压的不一致性，电池电压的不一致性可以在一定程度上反映动力电池组其他各种的不一致性。电池组不一致性的成因和传递过程如图4-23所示。

图4-23 动力电池组不一致性的成因及其传递过程