動力電池總成裝調(diào)平臺的單體電池均衡性測試 Single Battery Balance Test for Power Battery Assembly Installation Platform

金敏 JIN Min 郭淑清GUO Shu-qing

摘要： 鋰電池在生產(chǎn)和使用的過程中，會產(chǎn)生各單體電池荷電狀態(tài)（SOC）、電壓、內(nèi)阻不一致的現(xiàn)象，長時間累積會導(dǎo)致電池組過早報廢。本文首先介紹了鋰電池主要技術(shù)參數(shù)，重點分析單體電池性能不一致的原因和表現(xiàn)形式，然后選取均衡性目標(biāo)。利用動力電池總成裝調(diào)工作平臺（B-GY01+B-GZ02）對鋰電池單體電壓進(jìn)行測試，分析各單體電池工作狀態(tài)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對不符合要求的單體電池進(jìn)行更換，從而保證動力電池均衡性，提高電動汽車的能量利用率。

Abstract： In the process of production and use of lithium batteries， the state of charge （SOC）， voltage and internal resistance of each battery will be inconsistent. If accumulated for a long time， the battery pack will be scrapped prematurely. This paper first introduces the main technical parameters of lithium battery， focuses on the analysis of the single battery performance inconsistent causes and forms， and then select the balance of the goal. The single voltage of lithium battery was tested using the power battery assembly installation and adjustment platform （B-GY01+B-GZ02）， and the working state of each single battery was analyzed. According to the experimental data， the single battery that does not meet the requirements is replaced， so as to ensure the balance of power battery and improve the energy utilization rate of electric vehicles.

關(guān)鍵詞： 動力鋰電池;電池均衡性;測試;裝調(diào)平臺

Key words： power lithium battery;battery equalization;test;with the platform

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0220-02

0? 引言

現(xiàn)在市場上的新能源汽車大多數(shù)是使用鋰電池作為動力電池。而鋰電池在出廠和使用過程中會導(dǎo)致參數(shù)不一致。而隨著電池的使用會導(dǎo)致這種不一致度持續(xù)增大，使單體電池性能衰減，導(dǎo)致鋰電池組過早報廢。本文以磷酸鐵鋰電池及其串聯(lián)電池組為對象，研究其單體電池工作的一致性。目前國內(nèi)外對動力電池的研究大多集中在電池性能及單體電池連接件的研究，對單體電池均衡性的研究較少。李哲對磷酸鐵鋰電池的性能進(jìn)行了研究。姜標(biāo)、白沖等人對鋰電池充放電性能進(jìn)行了研究。張貴萍等人對鋰離子電池成組技術(shù)及連接方法進(jìn)行了介紹。雷明對電池模組連接件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。程燕兵提出一種基于單端反激電路雙層開關(guān)臂的鋰電池組雙向均衡方法。

電池組的不一致性會造成電池組的容量損失，內(nèi)阻增大，電池溫度過高，縮短其使用壽命。本文利用動力電池總成裝調(diào)工作平臺（B-GY01+B-GZ02）對鋰電池單體進(jìn)行均衡性測試，分析各單體電池工作狀態(tài)。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對不符合要求的單體電池進(jìn)行更換，從而保證動力電池均衡性，提高電動汽車的能量利用率。

1? 鋰電池主要技術(shù)參數(shù)

鋰電池主要技術(shù)參數(shù)介紹，如表1所示。

2? 鋰電池組不一致性原因分析

鋰電池一致性是指同一批次出廠的同型號鋰電池，其電極特性、溫度變化、衰減速率、電氣連接等參數(shù)指標(biāo)的一致性[11]。

2.1 鋰電池不一致性產(chǎn)生的原因? 鋰電池的不一致性是一個長期累積的過程，首先出廠時，就不能保證單體電池完全的一致性，之后在車上使用，由于每個單體電池工作環(huán)境有細(xì)微差別，這個不一致性會加劇，長時間累積后，會使電池的各項參數(shù)，如容量、電壓、電阻等指標(biāo)有較大差異。

2.2 鋰電池不一致性的表現(xiàn)形式? 串聯(lián)電池組不一致主要體現(xiàn)在電池的剩余電量、工作電壓、歐姆內(nèi)阻等主要參數(shù)上。

2.2.1 容量? 電池的實際容量C與初始容量C0、放電電流Ib的關(guān)系為：C=C0-Ib（t）dt（1）

出廠時初始容量會有微小差別，導(dǎo)致每個電池單體的放電電流的差異。使用一段時間后，組內(nèi)各單體電池的容量差異逐步擴大，容量較小的單體電池每次都是滿充滿放，會導(dǎo)致其先于其他電池報廢。

2.2.2 內(nèi)阻? 如果電池組串聯(lián)則電池內(nèi)阻損耗的能量為：E=I2（t）rdt（2）

式中， r—電池內(nèi)阻;I—充電電流;t—充電時間變量。

電池組串聯(lián)工作時，電流相等，內(nèi)阻不等，會導(dǎo)致單體電池端電壓不一致，所以提高電池內(nèi)阻的一致性也是很重要的。

2.2.3 電壓? 在鋰電池組充電過程中，如果單體電池電壓不一致，電壓高的單體電池會優(yōu)先充滿電導(dǎo)致其他單體電池在未充滿電的情況下結(jié)束充電，從而降低了電池組的充電容量。在鋰電池組放電過程中，電壓低的單體電池會優(yōu)先放完電，導(dǎo)致在其他單體電池在未放電完全的情況下結(jié)束放電，從而降低電池組的放電容量。長此以往，會縮短電池使用壽命。

2.3 電池均衡目標(biāo)的選取? 鋰電池電量不一致在單體電池外部表現(xiàn)為電壓、內(nèi)阻、荷電狀態(tài)（SOC）等多方面參數(shù)指標(biāo)的不一致，這么多的參數(shù)就涉及到了均衡目標(biāo)的選取問題。

2.3.1 以電池荷電狀態(tài)（SOC）為均衡目標(biāo)? 電池荷電狀態(tài)（SOC），定義為電池使用一段時間電池可放出的電量與電池完全充滿電的電量的比值。公式如下：

SOC=QC/Qt（3）

式中，QC為電池的剩余容量;Qt為電池的滿狀態(tài)

容量。串聯(lián)電池組均衡的目的實際是保證各單體電池在多次充放電后的剩余電量仍然能夠保持在大致相同的一個范圍內(nèi)。從目的上來講，電池荷電狀態(tài)（SOC）適合作為均衡目標(biāo)。但是由于SOC精確測量極其困難，所以將SOC 選為均衡目標(biāo)的實際意義不大[11]。

2.3.2 以電池電壓及內(nèi)阻為均衡目標(biāo)? 電池電壓和電池的荷電狀態(tài)呈正相的關(guān)系，大致可以描述出電池當(dāng)前狀態(tài)，電池內(nèi)阻需要保持一致性，阻值過大會影響充放電時間，將均衡目標(biāo)選為電池端電壓和內(nèi)阻的優(yōu)勢為：電池組中各單體電池的精確電壓值及內(nèi)阻值檢測精度高。另外鋰電池單體在構(gòu)成串聯(lián)電池組時，選擇在出廠時初始差異較小的電池進(jìn)行串聯(lián)，使電池端電壓基本可以代替SOC來反映當(dāng)前電池的剩余電量。

綜上，SOC不適合作為均衡目標(biāo)，將電壓作為均衡對象，內(nèi)阻作為輔助參考更為合理。本文后續(xù)測試也是基于電壓和內(nèi)阻作為均衡目標(biāo)開展的。

3? 動力電池總成裝調(diào)工作平臺（B-GY01+B-GZ02）介紹

3.1 總述? 動力電池總成裝調(diào)工作平臺（B-GY01+B-GZ02）是針對純電動汽車開發(fā)的集系統(tǒng)裝調(diào)、數(shù)據(jù)采集、各系統(tǒng)測控功能設(shè)備。此設(shè)備主要用于純電動汽車動力電池系統(tǒng)裝調(diào)和測試。平臺主要由動力電池總成裝調(diào)工作平臺及附屬設(shè)備組成，包括點焊機、動力電池模組、繼電器、電流傳感器、車載充電機、交直流充電插座、及相關(guān)輔件組成。

3.2 動力電池組規(guī)格? 動力電池由24塊單體電池組成，分為4個模組，模組之間串聯(lián)連接。每個模組6塊單體電池，每個單體電池之間串聯(lián)連接。單體電池標(biāo)稱電壓3.2V，正常范圍2.8V-3.6V。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻0.8mΩ，正常范圍0.4mΩ-1.2mΩ，總電壓：76.8V。

4? 電池的安裝及測量

4.1 電池模組的安裝  本文采用的測試電池組是總電壓76.8V，標(biāo)稱電壓為3.2V的24塊單體電池組成。每6塊單體電池串聯(lián)為一個電池模組，共4個電池模組，電池模組之間串聯(lián)。安裝過程如下：①安裝前先清潔單體電池、連接銅牌、電池模組等部件;②按照正確的電池正負(fù)極順序安裝4個電池模組;③安裝電池單體連接線束;④安裝電池模組固定螺栓;⑤確認(rèn)電池模組正負(fù)極是否正確;⑥安裝電池模組之間連接銅排及相關(guān)低壓線束。

4.2 單體電池的測量? 本文用內(nèi)阻測試儀測量單體電池的電壓和內(nèi)阻。測量過程如下：①開機校零。如電壓值和電阻不為零，需進(jìn)行短路清零，直到電壓值和電阻值都為零才可以測量。②兩根測量線，紅色夾住電池正極，黑色夾住電池負(fù)極。③待讀數(shù)穩(wěn)定，按住HOLD鍵，讀數(shù)。④記錄各個單體電池的電壓和內(nèi)阻數(shù)據(jù)。根據(jù)電壓和內(nèi)阻的標(biāo)準(zhǔn)范圍：單體電池標(biāo)稱電壓3.2V，正常范圍2.8V-3.6V。標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)阻0.8mΩ，正常范圍0.4mΩ-1.2mΩ。由此發(fā)現(xiàn)問題電池是17號電池，找到17號電池所在電池模組，將17號電池從該電池模組中拆下，更換在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的單體電池。再次進(jìn)行復(fù)檢，所有單體電池都在電壓、內(nèi)阻標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，測量結(jié)束，從而達(dá)到保證單體電池均衡性的目的。在實車上的動力電池可以連接診斷儀，找到高壓蓄電池模塊，讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)，從而發(fā)現(xiàn)不一致的模組，將模組拆卸，便可用內(nèi)阻測試儀找到該模組中不一致的單體電池。

5? 結(jié)論

本文首先對鋰電池主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行介紹，然后分析了單體性能不一致的原因、表現(xiàn)形式，然后選取均衡性目標(biāo)。最后利用動力電池總成裝調(diào)工作平臺（B-GY01+B-GZ02）對鋰電池單體進(jìn)行均衡性測試，分析各單體電池工作狀態(tài)，利用實驗數(shù)據(jù)分析動力電池模組總電壓及各單體電池是否正常，并根據(jù)實驗數(shù)據(jù)對不符合要求的單體電池進(jìn)行更換，從而保證動力電池均衡性，提高電動汽車的能量利用率。

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