動(dòng)力電池系統(tǒng)成組分析

動(dòng)力電池系統(tǒng)成組分析動(dòng)力電池組成組方式包括串聯(lián)、并聯(lián)與混聯(lián)，不同的成組方式可以滿足不同的用電需求。動(dòng)力電池單體串聯(lián)成組可以滿足高工作電壓的需求，并聯(lián)成組可以滿足大容量的需求，包含串聯(lián)和并聯(lián)的混聯(lián)方式可以同時(shí)兼顧新能源汽車高電壓和高容量的雙重需求。然而，因制作材料、工藝參數(shù)等因素的影響，動(dòng)力電池單體出廠時(shí)便在容量、內(nèi)阻等方面存在一定差異，成組使用后由于使用條件、應(yīng)用工況、成組方式以及管理方法等的差異會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大其不一致性，在充放電末期呈現(xiàn)顯著的“掃帚”效應(yīng)，從而進(jìn)一步影響動(dòng)力電池系統(tǒng)的充放電性能。5?1?1動(dòng)力電池組的“掃帚”3動(dòng)力電池充放電末期的強(qiáng)極化非線性會(huì)引起動(dòng)力電池組的“掃帚”效應(yīng)，如圖5-1所示，即充放電末期動(dòng)力電池單體間的不一致性會(huì)顯著增大，即充放電“帚頸”之前具有良好的一致性，超過“帚頸”截止閾值后一致性會(huì)顯著惡化。-Til2.82.7:充電扌T4.4>4.24.0222324252627b)充電容雖/A-h12 3 4 5放電容雖/A-h-Til2.82.7:充電扌T4.4>4.24.0222324252627b)充電容雖/A-h12 3 4 5放電容雖/A-h放電閾放電Y掃帚”效檢充放電安全區(qū)i I效應(yīng);充放電安全區(qū)r y充電閾值J 丿5-1動(dòng)力電池“掃帚”效應(yīng):a）不同動(dòng)力電池單體放電末期“掃帚”效應(yīng)曲線b）不同動(dòng)力電池單體充電末期"掃帚”效應(yīng)曲線單體充電末期"掃帚”效應(yīng)曲線動(dòng)力電池單體間的不一致性嚴(yán)重制約動(dòng)力電池組的能量/容量利用率,也會(huì)加速電池老化。為此,北京理工大學(xué)孫逢春院士團(tuán)隊(duì)提出了充/放電至“帚頸”的截止閾值判定和控制規(guī)則。通過實(shí)驗(yàn)確定同批次動(dòng)力電池單體及其系統(tǒng)不一致性分布規(guī)律，尤其是在充放電末期根據(jù)電壓變化與容量的映射關(guān)系，建立“帚頸”判斷規(guī)則，完善動(dòng)力電池充放電控制策略，提高動(dòng)力電池系統(tǒng)工作中的一致性和能量利用率，從而降低動(dòng)力電池單體過充電和過放電的風(fēng)險(xiǎn)。5?1?2串聯(lián)與并聯(lián)動(dòng)力電池組串聯(lián)和并聯(lián)成組是動(dòng)力電池組中最基本的模組單元，不同的成組方式會(huì)導(dǎo)致不一致性產(chǎn)生不同的蔓延趨勢(shì)。圖5-2a所示為“4串”動(dòng)力電池組拓?fù)鋱D，由4個(gè)動(dòng)力電池單體串聯(lián)組成；圖5-2b所示為“2并”動(dòng)力電池組拓?fù)鋱D，由2個(gè)動(dòng)力電池單體并聯(lián)組成。動(dòng)力電池單體不一致性對(duì)串聯(lián)、并聯(lián)動(dòng)力電池組性能的影響，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

5-2串聯(lián)與并聯(lián)動(dòng)力電池組拓?fù)鋋)4串動(dòng)力電池組b)25-2串聯(lián)與并聯(lián)動(dòng)力電池組拓?fù)鋋)4串動(dòng)力電池組b)2并動(dòng)力電池組容量不一致串聯(lián)動(dòng)力電池組進(jìn)行充放電時(shí)，流經(jīng)各動(dòng)力電池單體的電流相同，容量小的單體將先充滿或放光，動(dòng)力電池組將停止充放電以防止過充電或者過放電的安全隱患?？梢姡萘孔钚〉膭?dòng)力電池單體將制約串聯(lián)動(dòng)力電池組的充放電能力，這正是使用“木桶”效應(yīng)分析動(dòng)力電池組性能的原因。需要指出的是，如果將不同SOC的動(dòng)力電池單體串聯(lián)，動(dòng)力電池組的放電容量不一定由容量最小的單體決定，而是受剩余容量最小單體制約，此處，剩余容量為當(dāng)前SOC與最大可用容量的乘積。因此“木桶”效應(yīng)并不完全適用串聯(lián)動(dòng)力電池組充放電行為分析。另一方面，并聯(lián)動(dòng)力電池組可用容量是動(dòng)力電池單體可用容量的總和。當(dāng)并聯(lián)動(dòng)力電池組持續(xù)放電時(shí)：放電時(shí)開路電壓最低的單體可能會(huì)出現(xiàn)充電工況，充電時(shí)開路電壓最高的單體可能會(huì)出現(xiàn)放電工況，容量最低的單體往往會(huì)出現(xiàn)開路電壓最低?？梢姡⒙?lián)動(dòng)力電池組的充放電能力不受容量最小的單體的限制，充放電行為也不符合“木桶”效應(yīng)。內(nèi)阻不一致單體容量相近的串聯(lián)動(dòng)力電池組充電時(shí)，內(nèi)阻較大的單體會(huì)首先達(dá)到充電截止電壓。此時(shí)，若繼續(xù)充電，該單體會(huì)因過充電而產(chǎn)生安全隱患；若停止充電，則內(nèi)阻較小的單體并未完全充滿。當(dāng)以較大倍率放電時(shí)，內(nèi)阻較大的單體的產(chǎn)熱量較大，動(dòng)力電池單體內(nèi)部溫升較快。并聯(lián)動(dòng)力電池組充放電時(shí)，各動(dòng)力電池單體的端電壓相等，內(nèi)阻不一致將導(dǎo)致各支路電流不同，進(jìn)而導(dǎo)致動(dòng)力電池單體的充放電量不同，造成老化軌跡異化。因此，內(nèi)阻不一致不僅對(duì)串聯(lián)動(dòng)力電池組的電壓和散熱直接影響較大，也會(huì)對(duì)并聯(lián)動(dòng)力電池組的長期性能衰退產(chǎn)生較大影響。5.1.3典型混聯(lián)電池組的性能分析先并后串和先串后并為動(dòng)力電池組的常用成組方式，且均有廣泛應(yīng)用。如特斯拉ModelS的動(dòng)力電池組由96個(gè)電池模組經(jīng)過串聯(lián)組成，每個(gè)模組包含74個(gè)并聯(lián)的

3.1A?h圓柱形動(dòng)力電池單體；而日產(chǎn)的Leaf所使用的動(dòng)力電池組則是由兩個(gè)電池模組并聯(lián)組成，每個(gè)模組包含96個(gè)串聯(lián)的33A?h動(dòng)力電池單體。不同的成組方式，對(duì)動(dòng)力電池組性能的影響不同。通過分析兩種動(dòng)力電池組的性能優(yōu)劣，為確定動(dòng)力電池成組方式提供一定依據(jù)。為簡(jiǎn)化分析過程,本節(jié)采用圖5-3所示的簡(jiǎn)化成組方式，01~08為動(dòng)力電池單體。需要說明的是，本章中串并聯(lián)動(dòng)力電池組簡(jiǎn)寫定義為：①nPmS:由m個(gè)模組串聯(lián)組成的電池組，其中每個(gè)模組包括n個(gè)并聯(lián)的動(dòng)力電池單體。②mSnP:由n個(gè)模組并聯(lián)組成的電池組，其中每個(gè)模組包括m個(gè)串聯(lián)的動(dòng)力電池單體。5-3先并后串與先串后并動(dòng)力電池組拓?fù)鋋)2P4S拓?fù)鋱Db)4S2P5-3先并后串與先串后并動(dòng)力電池組拓?fù)鋋)2P4S拓?fù)鋱Db)4S2P拓?fù)?.可靠性分析采用元器件可靠性的概念分析動(dòng)力電池成組后的可靠性。假設(shè)兩種動(dòng)力電池組中，動(dòng)力電池單體正常工作的可靠性均為r(0<r<1)，且動(dòng)力電池單體間工作狀態(tài)相互獨(dú)立。2P4S和4S2P正常工作的概率分別記為卩弄和Pb，則有：P嚴(yán)[1-(1-r)2]4^=1-(1-r4)2當(dāng)r=0.8時(shí)，Pa=0.8493，Pb=0.6514；當(dāng)r=0.9時(shí)，Pa=0.9606、Pb=0.8817，且對(duì)于任意可靠性，均可以得到：Pa>Pb，即先并后串系統(tǒng)的可靠性大于先串后并系統(tǒng)。需要指出的是，對(duì)于使用大容量動(dòng)力電池單體成組的動(dòng)力電池系統(tǒng)而言，先串和先并的分析還需與實(shí)際情況結(jié)合，分別考慮電池短路和斷路兩種故障以及不同成本驅(qū)動(dòng)下電池管理方法的差異性，實(shí)際結(jié)論可能與基于元器件可靠性得出的結(jié)論有所差別。2.經(jīng)濟(jì)性與安全性分析在先并后串動(dòng)力電池組中，各并聯(lián)模組相互獨(dú)立，動(dòng)力電池單體間的自均衡在一定程度上能夠抑制單體間容量及內(nèi)阻的不一致性。并聯(lián)模組中各動(dòng)力電池單體的端電壓相等，僅需一個(gè)電壓采集節(jié)點(diǎn)，成本低。如果需要分析并聯(lián)模組中每一單體的工作電流，則需要增加大量的分流器或者霍爾傳感器測(cè)量單體電流，顯著提高系統(tǒng)成本。但是對(duì)于常規(guī)車用的先并后串動(dòng)力電池組，一般不要求測(cè)量單體支路電流。先串后并動(dòng)力電池組中兩條串聯(lián)支路進(jìn)行自均衡，均衡效率低；且需要測(cè)量每個(gè)單體的電壓，BMC采集板數(shù)量多，成本高。先并后串動(dòng)力電池組中的并聯(lián)模組是由動(dòng)力電池單體直接并聯(lián)而成，端電壓低，即使單體的端電壓有一定偏差，并聯(lián)時(shí)影響較小，安全性較高。先串后并動(dòng)力電池組中每個(gè)串聯(lián)支路的動(dòng)力電池單體數(shù)目一般較多，在成組前需保證各支路端電壓一致，否則即使動(dòng)力電池單體端電壓差異較小，成組后串聯(lián)支路間也會(huì)產(chǎn)生較大的電壓偏差，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)安全事故。當(dāng)某一動(dòng)力電池單體發(fā)生斷路時(shí)，對(duì)于先串后并動(dòng)力電池組，將導(dǎo)致該單體所在的整個(gè)串聯(lián)支路從動(dòng)力電池組中斷開，剩余動(dòng)力電池單體及所在支路將承受更大倍率的充放電電流。而在先并后串動(dòng)力電池組中只會(huì)影響并聯(lián)模組中的剩余單體，其余單體保持正常工作，因而對(duì)單體容量較小、并聯(lián)模組中單體數(shù)較多的動(dòng)力電池組影響較小，對(duì)于單體容量較大、并聯(lián)模組中單體數(shù)較少的動(dòng)力電池組影響較大。當(dāng)某一動(dòng)力電池單體發(fā)生短路時(shí)，對(duì)于先串后并動(dòng)力電池組，該單體所在支路的充放電倍率會(huì)增加，以穩(wěn)定輸入/輸出功率，該支路也可能會(huì)接受正常支路的充電；而先并后串動(dòng)力電池組中該單體所在模組的其他電池都會(huì)發(fā)生短路，剩余模組會(huì)承受更大的功率負(fù)荷，易造成較大的安全隱患?？梢姡瑢?duì)于斷路故障，先并后串動(dòng)力電池組的危害要低于先串后并動(dòng)力電池組；對(duì)于短路工況，先串后并動(dòng)力電池組的危害略低。在當(dāng)前電池工藝和成組水平下，動(dòng)力電池組斷路和短路的可能性均較小，斷路故障更多的是與動(dòng)力電池成組的工藝和制造水平有關(guān)，而短路主要來自外部的撞擊、連接失效等非正常工作模式。成組容量分析動(dòng)力電池可用容量包括可用充電容量和可用放電容量?？捎贸潆娙萘?，是指在一定充電制度下，動(dòng)力電池從當(dāng)前

狀態(tài)以恒流恒壓方式充電至截止條件所能充入的容量；可用放電容量，即當(dāng)前狀態(tài)下的剩余容量，是指在一定放電制度下，動(dòng)力電池從當(dāng)前狀態(tài)放電至截止電壓過程所釋放的容量。當(dāng)動(dòng)力電池串聯(lián)成組時(shí)，串聯(lián)電池組可用容量等于各單體中最小可用充電容量與最小可用放電容量的和；當(dāng)動(dòng)力電池并聯(lián)成組時(shí)，并聯(lián)電池組可用容量等于全部單體的可用容量之和。因此，對(duì)于不同成組方式的動(dòng)力電池組，可用容量的計(jì)算依賴于所有動(dòng)力電池單體的容量和SOC值。選擇8塊老化狀態(tài)不同的動(dòng)力電池6,編號(hào)為單體01~08、初始SOC均為50%,分別組成2P4S或4S2P以分析不同成組方式的容量特性。動(dòng)力電池單體25弋時(shí)的可用容量如圖5-4所示。001 02 04 05 06 07 血?jiǎng)恿﹄姵貑误w0.55-4001 02 04 05 06 07 血?jiǎng)恿﹄姵貑误w0.55-4動(dòng)力電池單體在25°C時(shí)的可用容量52仔2.L上'鮒旺te-.2P4S或4S2P成組時(shí),8塊單體的排列方式共有40320(8!)種。在全部排列方式下，兩種動(dòng)力電池組的成組容量及其所占的比例如圖5-5所示。其中，成組容量的比例是生成此容量的排列方式種類與全部排列方式種類的比值。借助數(shù)值仿真手段，可以確定全部排列方式下動(dòng)力電池組容量及其分布特點(diǎn)。結(jié)果表明，2P4S的成組容量最終包含13種不同容量值，4S2P的成組容量?jī)H包含4種不同容量值，即2P4S的成組容量較4S2P更為分散。4S2P的最大成組容量為4.9240A?h，僅占2.9%，而2P4S的成組容量大于4.9240A?h的比例為17.2%，即2P4S的成組容量大于4S2P的最大成組容量的概率為17.2%。并且，因?yàn)?S2P的成組容量的期望值為4.7415A?h，而2P4S的相應(yīng)值為4.8346A?h,所以2P4S具有更優(yōu)的成組容量性能。需要注意的是,當(dāng)8塊單體分別按照?qǐng)D5-3a、b排列時(shí),2P4S與4S2P均能達(dá)到其最大成組容量。此時(shí),2P4S中4個(gè)并聯(lián)模塊的容量相近,而4S2P中2個(gè)串聯(lián)支路的容量差異最大。

成組容呈叢”h■65-5兩種動(dòng)力電池組成組容量及其所占的比例O0O4S2POE占CJ亦洛6-寸E6+寸5忘6一寸0成組容呈叢”h■65-5兩種動(dòng)力電池組成組容量及其所占的比例O0O4S2POE占CJ亦洛6-寸E6+寸5忘6一寸0廿已6一寸g舅寸寸密兀寸?寸寸目寸龍F(tuán)#一「寸將兩種動(dòng)力電池組的成組容量分別表示為c2P4S(0)與C4S2p(o)，表5-1所列為排列方式相同時(shí)，兩種動(dòng)力電池組的成組容量的比較結(jié)果。可見存在關(guān)系c2P4S(0)>c4S2p(0),且C2P4S(0)>C4S2P(0)的比例達(dá)到75%。表5-1兩種動(dòng)力電池組的成組容量的比較^2IUS(Q>工仁4也1屮耳^iay.Si；ai 短世町合計(jì)個(gè)數(shù)30240］口規(guī)()40320比例(%)75250100充放電量分析動(dòng)力電池組的電量直接影響整車的續(xù)駛里程，成組方式的差異必然造成充放電量的差異。對(duì)圖5-3所示的兩種動(dòng)力電池組進(jìn)行充放電量測(cè)試，動(dòng)力電池單體初始SOC均為50%，測(cè)試步驟如下：

靜置2min，然后對(duì)動(dòng)力電池組以0.5C倍率恒流放電，任一單體的端電壓下降至3.2V時(shí)將動(dòng)力電池組靜置1h，此時(shí)動(dòng)力電池單體SOC約為20%。以0.5C倍率將動(dòng)力電池組恒流充電，任一單體端電壓到達(dá)4.2V時(shí)停止。動(dòng)力電池組充放電量如圖5-6所示?？梢?，在同等條件下,2P4S的充放電量更大，兩者相差高達(dá)0.15A?h，約為動(dòng)力電池單體容量的5.6%。2P4S4S2P3.4425 ；I2P4S4S2P3.4425 ；I .III

-J.3.29741.6754充電放電充電狀態(tài)5-6兩種動(dòng)力電池組充放電量基于數(shù)值