電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸電池的一致性與SOH預(yù)測(cè)

王麗平,燕 紅

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

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電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸電池的一致性與SOH預(yù)測(cè)

王麗平,燕 紅

(鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052)

在低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)已是大勢(shì)所趨。電動(dòng)汽車(chē)用電池的一致性問(wèn)題和SOH預(yù)測(cè)問(wèn)題一直是電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)研究和大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化急需解決的難點(diǎn)之一。以電動(dòng)汽車(chē)用“超威”鉛酸蓄電池為例，介紹了電動(dòng)汽車(chē)鉛酸電池的SOH及行駛過(guò)程中蓄電池的一致性問(wèn)題，并用電壓的一致性對(duì)電池的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而對(duì)電池的健康狀態(tài)進(jìn)行一致性修正。

鉛酸電池；一致性；SOH

目前，電池健康狀態(tài)——SOH的預(yù)測(cè)方法大都沒(méi)有考慮電池組內(nèi)電池單體不一致性的影響，而實(shí)際上，電池的一致性好壞會(huì)直接影響電池的使用壽命。對(duì)電池組的一致性進(jìn)行研究，并對(duì)其健康狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，可以有效防止蓄電池過(guò)充過(guò)放，為蓄電池的更換提供可靠依據(jù)，降低電池組更換成本，保障電動(dòng)汽車(chē)電源系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。下面基于SD-EV2上安裝的“超威”鉛酸電池，介紹電池健康狀態(tài)的定義及電池組的一致性對(duì)健康狀態(tài)的影響，然后用一致性對(duì)電池組的SOH進(jìn)行修正，并對(duì)未來(lái)鉛酸電池健康狀態(tài)模型的研究方向進(jìn)行展望。

1 電池SOH概述

SOH(State of Health)指電池的健康狀態(tài)，與人的壽命意義類(lèi)似，是對(duì)電池不可逆變化量的估計(jì)，是對(duì)電池壽命的一種反應(yīng)，可以理解為電池的循環(huán)使用次數(shù)。隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池老化，電池輸出功率減少，容量衰退，內(nèi)阻增加。電池的健康狀態(tài)實(shí)際表現(xiàn)為電池內(nèi)部某些參數(shù)(如容量、內(nèi)阻等)的變化，故SOH通常被定義為在一定使用工況下電池可放出的最大容量與額定容量之比，也可以用電池的測(cè)量?jī)?nèi)阻與標(biāo)稱(chēng)內(nèi)阻和電池失效內(nèi)阻的差的比值來(lái)表示。

采用容量保持率來(lái)定義電池的SOH，

(1)

式中,QH為電池測(cè)試的最大容量，QS為電池的額定容量。

SOH的測(cè)定可以通過(guò)將一塊處于滿電狀態(tài)的電池放電至截止電壓來(lái)完成。圖1是超威鉛酸動(dòng)力電池在常溫下以0.3C充放電時(shí)的壽命曲線。

圖1 鉛酸電池的循環(huán)壽命曲線

作為一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)系統(tǒng)，鉛酸蓄電池健康狀態(tài)的影響因素有很多，如蓄電池內(nèi)阻、自放電特性、電解液濃度、電解液離子導(dǎo)電性、環(huán)境溫度等。在純電動(dòng)汽車(chē)使用過(guò)程中經(jīng)?？紤]到的電池壽命有放電深度、放電電流、溫度及充電等4個(gè)加速因子。目前，電池健康狀態(tài)的預(yù)測(cè)方法大都沒(méi)有考慮電池組內(nèi)電池單體不一致性的影響，而實(shí)際上，電池的一致性好壞會(huì)直接影響電池的使用壽命。

2 電池組的一致性問(wèn)題

一致性問(wèn)題是電動(dòng)汽車(chē)電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題之一。由于電池的原材料、零部件及制作工藝等的差別，同一規(guī)格型號(hào)的蓄電池在成組后的使用過(guò)程中，其內(nèi)部各單體電池的電壓、容量、內(nèi)阻和自放電率等參數(shù)隨時(shí)間變化會(huì)存在一定的差別，這種問(wèn)題被稱(chēng)為蓄電池的一致性問(wèn)題。在電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用中，電池系統(tǒng)由幾十只甚至數(shù)百只電池單體組成，單體之間不可避免的會(huì)存在差異，這種差異會(huì)對(duì)電池性能產(chǎn)生影響。汽車(chē)在行駛過(guò)程中啟停頻繁而且工況復(fù)雜，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池經(jīng)常因?yàn)殡姵亟M內(nèi)單體電池間不一致性的影響而引起過(guò)充過(guò)放，最終導(dǎo)致電池容量大大衰減而過(guò)早失效，從而會(huì)對(duì)電池的SOH產(chǎn)生很大的影響。

一致性對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的影響表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是減少蓄電池組的正常使用壽命。比如，一般單體鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命為800～1 000次，但成組后其壽命只有400～600次。二是對(duì)電池組SOC(荷電狀態(tài))、SOH的判斷有影響。三是單體間較大的差異會(huì)引起個(gè)別單體的過(guò)充、過(guò)放，甚至還會(huì)引發(fā)安全問(wèn)題。所以對(duì)電池組中單體電池的一致性進(jìn)行研究非常重要。電池組的一致性一般用單體容量和內(nèi)阻的一致性來(lái)表征。而在實(shí)際應(yīng)用中，電池的實(shí)際容量和內(nèi)阻很難進(jìn)行直接準(zhǔn)確的測(cè)試。SD-EV2上采用的是串聯(lián)而成的電池組，可以采用電壓和內(nèi)阻的一致性來(lái)表征電池的一致性，再加上電池端電壓易采集，所以選擇用電壓的一致性來(lái)表征電池的一致性。

在成組的電池系統(tǒng)中，單體電池之間的不一致性是絕對(duì)存在的，如何對(duì)電池的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)，是電池系統(tǒng)應(yīng)用中的重要課題。SD-EV2采用的電池組由6節(jié)型號(hào)為6-DM-150的超威牌鉛酸蓄電池串聯(lián)而成。由于汽車(chē)在行駛過(guò)程中啟停頻繁且工況復(fù)雜，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，電池剛出廠時(shí)工藝上的微小差別帶來(lái)的影響就會(huì)逐步積累加劇，其表現(xiàn)形式就是各單體電池不一致性逐步加劇，從而導(dǎo)致動(dòng)力電池組的循環(huán)性能衰減或失效。因此，對(duì)電池組的單體電池進(jìn)行一致性評(píng)價(jià)對(duì)電池的壽命預(yù)測(cè)有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通常采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)電池的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)。由圖2可看出，在以1/3C恒流放電過(guò)程中，電池組在5%～100%SOC之間的電壓變化均較平穩(wěn)，電池電壓的一致性顯示的比較好。但是，在此范圍內(nèi)即使電壓僅僅相差幾十毫伏，電池的荷電量也會(huì)相差10%以上。而當(dāng)SOC太高或太低時(shí)，如低于5%，電池的端電壓變化比較大，然而容量差別仍不足2%。通常認(rèn)為對(duì)同一單體電池進(jìn)行連續(xù)2次的容量測(cè)試，容量差別若在2%以?xún)?nèi)則表示電池容量測(cè)試無(wú)差別。由于荷電狀態(tài)SOC和健康狀態(tài)SOH是相互影響的，故為了測(cè)定電池的健康狀態(tài)SOH，必須知道實(shí)際的SOC或者必須在相同的SOC下測(cè)量SOH。放電末期，電池端電壓變化的拐點(diǎn)在5%SOC左右，此時(shí)單體電池端電壓值約為10.8V。因此，選擇在5%SOC或單體電壓為10.8V拐點(diǎn)處用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法對(duì)電壓的一致性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 恒流放電時(shí)電池端電壓與SOC關(guān)系圖

3 SOH的一致性修正

按照QC/T742—2006標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)壽命測(cè)試方法，對(duì)6-DM-150的超威電池進(jìn)行循環(huán)耐久能力試驗(yàn)測(cè)試。整個(gè)試驗(yàn)在20±5℃的環(huán)境中進(jìn)行，測(cè)試過(guò)程如下：

步驟一：蓄電池的完全充電。蓄電池以1/6C的電流充電到14.4V單體后，再繼續(xù)以1/12C電流充電，在充電末期連續(xù)3h內(nèi)蓄電池電壓變化不大于0.05V/h，此時(shí)確認(rèn)蓄電池已完全充電。

步驟二：蓄電池完全充電后，以0.5C的電流放電1.6h，然后再對(duì)電池進(jìn)行完全充電，如此組成1次循環(huán)。

步驟三：連續(xù)進(jìn)行上述循環(huán)，每到第49次放充循環(huán)后，第50次按1/3C充放電來(lái)進(jìn)行放電容量檢查，以后每50次進(jìn)行1次放電容量檢查。

步驟四：重復(fù)步驟二、三，當(dāng)檢查得到的放電容量低于額定值80%時(shí)，認(rèn)為蓄電池壽命終止。

隨著循環(huán)次數(shù)的增加，記錄下電池組中的1—4號(hào)電池在放電結(jié)束時(shí)的端電壓值。圖3為電池循環(huán)使用0～50次時(shí)每次放電結(jié)束時(shí)單體電池的端電壓值變化情況。由此可見(jiàn)，成組電池在實(shí)際運(yùn)行前期，其內(nèi)各單體電壓一致性較好，但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，各單體端電壓的差異出現(xiàn)逐漸增大的情況，這種差異性對(duì)電池循環(huán)壽命影響很大，故需要對(duì)SOH預(yù)測(cè)值進(jìn)行修正。

圖3 放電結(jié)束時(shí)電池端電壓的變化

SOH預(yù)測(cè)的目的是根據(jù)電池的當(dāng)前狀況來(lái)判斷其健康狀況。目前，電池的SOH預(yù)測(cè)方法大都沒(méi)有考慮電池組內(nèi)電池單體不一致性的影響，而實(shí)際上，電池一致性的好壞會(huì)直接影響電池的使用壽命。所以，我們?cè)趯?duì)電動(dòng)汽車(chē)用鉛酸電池組一致性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)電池壽命進(jìn)行一致性修正，包括以下步驟：

步驟一：用電池采集箱采集并記錄單體電池的電壓、電流和溫度。在電動(dòng)汽車(chē)行駛過(guò)程中，每5分鐘檢測(cè)1次。

步驟二：用卡爾曼濾波對(duì)電池的SOC進(jìn)行估算，當(dāng)SOC為0.05時(shí)記錄單體電池的電壓和電流。

(2)

式中，ki為電池單體分散加權(quán)系數(shù)。

步驟四：由于電池的電壓差異并不能完全代表電池的容量差異，所以引入補(bǔ)償系數(shù)ks。當(dāng)SOC太高或太低時(shí)，ks就取較小值；SOC處于中間范圍時(shí)，ks就取較大值。故得到電壓不一致的計(jì)算公式如下：

ks=f(SOC);

(3)

ε=ks×δ。

(4)

圖4為電池組中單體電池電壓不一致性的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)變化趨勢(shì)?？梢?jiàn)看出，在壽命的前期電池組單體電池的電壓標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)和其變化量都比較??；但隨著循環(huán)次數(shù)的增加，電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)會(huì)迅速增大。

圖4 電壓不一致性的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)變化趨勢(shì)

在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)和能源對(duì)外依存度超過(guò)50%的大背景下，發(fā)展純電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)代已經(jīng)到來(lái)。鉛酸蓄電池在未來(lái)幾十年內(nèi)憑借其價(jià)格低、安全性高以及新技術(shù)不斷完善的優(yōu)點(diǎn)，依然是電動(dòng)汽車(chē)的主力電池。我們考慮到電池組內(nèi)單體電池的一致性程度對(duì)電池組循環(huán)壽命的影響很大，根據(jù)實(shí)際測(cè)車(chē)過(guò)程中電池組端電壓的變化情況，提出了用電池端電壓的一致性來(lái)表征電池的一致性，并且建立了電池一致性的評(píng)判公式，最后采用電壓的標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)來(lái)修正電池的SOH。這樣可以得到更準(zhǔn)確的SOH預(yù)測(cè)結(jié)果，從而可有效防止電池組過(guò)充過(guò)放，降低電池組更換成本，保證電源系統(tǒng)穩(wěn)定安全運(yùn)行，有利于推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

[1]陳全世，朱家璉，田光宇．先進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007．

[2]廖曉軍，何莉萍，鐘志華,等．電池管理系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)[J]．汽車(chē)工程，2006，28(10)：961-964．

[責(zé)任編輯：趙 偉]

Consistency and SOH Estimation of Lead-Acid Batteries for Evs

WANG Liping，YAN Hong

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052,China)

Nowadays, Electric Vehicles (EV) development has become a trend, due to its superiorities on energy saving and environmental protection. Analysis of consistency and SOH of batteries has been the key technology of EV's research and mass production. This paper introduces the SOH of lead-acid batteries and the inconsistency of batteries in driving. In consideration of the fact that the inconsistency of cells has a great influence on SOH, the SOH results are corrected based on the inconsistency of cells.

lead-acid batteries; consistency; SOH

2015 - 09 - 01

王麗平(1987—)女，河南三門(mén)峽人，鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系助教。

U469.72

A

1008-6811(2016)03-0019-03