电动汽车电池组连接可靠性及不一致性研究
电池串并联可靠性与安全性分析1
锂离子电池串并联可靠性与安全性分析前言：新能源汽车和大型储能的发展对大容量电池蓄电池的应用需求越来越迫切。
直接制作大容量的蓄电池，除了生产工艺、生产设备的不成外，造成电池生产成品率低，制作成本高外，大容量电池由于能量储存量大，电池内部温度、电流的分布不均匀性以及较高程度的不安全性能是应用过程中存在的主要问题。
在现有技术水平下，不可避免地需要将大量电池进行串并联组合，以形成更高电压、更高容量的蓄电池组，来满足应用要求。
这就要求电池必须进行串联或串并联组合。
许多人对大量锂离子电池的串并联组合提出质疑，认为电池的一致性、可靠性、安全性均存在较大的问题，不提倡电池的并联应用。
本文对电池的串并联组合应用从数学分析、电池制作、电池性能以及安全性检测等各方面进行了详细分析，认为电池的可靠性和安全性并未因为电池并联的数量增加而下降。
1 不同组合的数学模型图1为常用的几种组合的数学模型：图1电池串并联模型假设模型中单体电池出现故障的概率是相同的，并且是相互独立的，不考虑每个单元的复杂程度、环境的严酷程度以及工作时间的长短等因素。
串联模型的数学模型为：1()()ni i Rs t R t ==∏ （1）并联模型的数学模型为：[]1()11()mi i Rs t R t ==--∏ （2）串并联模型的数学模型为：1()11()mn i i Rs t R t =⎡⎤=--⎢⎥⎣⎦∏ （3） 并串联模型的数学模型为：[]{}1()11()n m i i Rs t R t ==--∏ （4）以上式中R s (t)表示系统的可靠度，R=（1，2，3…，n)表示第i 个单元的可靠度。
m 为并联电池数，n为串联电池数。
2 单体电池的可靠性分析电池的可靠性与组成电池的各部件有关。
每种电池主要由五部件组成：外壳、隔膜、正极组、负极组、电解液等。
假设其可靠性分别为r1、r2、r3、r4、r5。
各部件组合的可靠性代表了电池的可靠性，从可靠性逻辑关系看，它们应当是串联关系，即：电池的可靠性R=r1×r2×r3×r4×r5（5）外壳出现故障的现象通常为漏液，其概率相对很低，尤其对于圆柱形、方形电池，产品在组装前的分选检测过程中出现此故障已经剔除，所以其可靠性为1。
不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析
第26卷 第7期2006年7月北京理工大学学报T ransactions of Beijing Institute of T echnolog y Vol .26 No .7Jul .2006 文章编号:1001-0645(2006)07-0577-04不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析王震坡, 孙逢春, 林程(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)摘 要:以明确电池不一致性对动力电池组使用寿命的影响为目标,分析了在制造和使用过程中动力电池不一致性的形成原因.在电池使用寿命试验数据分析的基础上,提出并建立了动力电池组不一致性对使用寿命影响的数学模型,定义了不一致性影响下的电池容量损伤系数.通过理论分析和示范运行证明了提高一致性及电池成组技术研究的重要性.在电池成组技术、使用维护方面提出了延长电池组使用寿命的动力电池维护措施.关键词:电动汽车;动力电池;不一致性;使用寿命中图分类号:U 469.72;U 463.63 文献标识码:AAn Analysis on the Influence of Inconsistencies Uponthe Service Life of Power Battery PacksWANG Zhen -po , SUN Feng -chun , LIN Chen(School of M echanical and Vehicular Eng ineering ,Beijing I nstitute of Technology ,Beijing 100081,China )A bstract :To ex press the influence upon the service life of battery packs coming from cell inconsistency ,the sources leading to cell inconsistency are analy zed ,i .e .those coming from the manufacture and application of the battery .Based on the data of battery service life tests ,a mathematical model of the battery pack under the influences on c ell inconsistency is established .At the same time a loss coefficient in battery capacity is defined .Throug h theoretical analy sis and vehicular operation the im portance of improving cell consistency and refinements in packing technology are verified .M aintenance safeguards during the application and maintenance of battery packs are put forw ard so as to prolong the service life .Key words :electric vehicle ;pow er battery ;inconsistency ;service life 收稿日期:20051124基金项目:北京市科技计划项目(D0305002040211)作者简介:王震坡(1976-),男,博士,讲师,E -mail :wangzhenpo @bit .edu .cn . 在现有的动力电池技术水平下,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.由于同一类型、同一规格、同一型号电池间在电压、内阻、容量等方面的参数值存在差别,即电池性能存在不一致性,使动力电池组在电动汽车上使用时,性能指标往往达不到单电池原有水平,使用寿命缩短数倍甚至十几倍,严重影响其在电动汽车上的应用.因此,不一致性对动力电池组使用寿命影响的研究将有助于动力电池在使用中发挥最大效能,提高电动汽车的行驶性能[1-2].此方面的研究在国内外相关文献中均为定性分析,没有建立数学模型[3-4].作者在试验基础上提出了不一致性对动力电池组使用寿命影响的数学分析模型,并通过试验得到了验证.1 电池不一致性形成原因分析蓄电池不一致性的产生有两方面原因:①在制造过程中,由于工艺问题和材质的不均匀,使电池极板厚度、微孔率、活性物质的活化程度等存在微小差别,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、内阻等参数值不可能完全一致;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[5-6].由蓄电池不一致性形成的原因,可知蓄电池之间的一致性是相对的,不一致性是绝对的.区别于传统的蓄电池应用领域,蓄电池在电动汽车上作为移动性的电力能源,长期在振动环境下,随车辆实时功率需求放电工作,并且电池组必须耐受电动汽车长期大电流,深放电的使用要求.因此蓄电池在电动汽车上的应用环境恶劣,不一致性表现程度以及对电池组使用寿命的影响明显.2 不一致性与动力电池组使用寿命关系数学模型 二次电池使用寿命定义为:一定的充放电率下电池容量衰减为额定容量某个百分比时充放电循环次数[7].据此定义,参考实际电池使用寿命测试数据和曲线(见图1),假设电池每次充放电容量衰减为定常线性函数,经n次循环后,电池容量可表达为C n=1-nPNC0.(1)式中:C n为经过n次循环后电池的实际容量;N为电池使用寿命;P为电池到达使用寿命后容量衰减百分比;C0为电池初始容量.图1 两种动力电池单体使用寿命测试曲线Fig.1 Curves show ing the service l ife of2kinds of pow er packs 由于不一致性在电池组各电池间绝对存在,在电池组使用中部分单电池由于相对容量小、内阻大,在正常充放电情况下,充放电深度相对较大,并且容易出现过充和过放现象.由于此部分单体电池的影响,导致电池组的实际容量受到影响,加速了容量衰减.因此定义电池组的容量衰减系数,即第i次使用时,受损伤电池容量可以表示为C i=f i-1(ΔC i-1)C i-1.(0≤f i-1(ΔC i-1)≤1)(2)式中:C i为循环使用到第i次时电池的容量值;ΔC i-1为第i-1次相对于第i-2次使用后的容量差;f i-1(ΔC i-1)为第i次使用时电池过充、过放容量损伤系数,是ΔC i-1的函数.由式(2)可以推论得到C i=f i-1(C i-1-C i-2)f i-2(C i-2-C i-3)×…×f i(C1-C0)C0.(3)令f(ΔC)=max{f i-1(C i-1-C i-2),f i-2(C i-2-C i-3),…,f1(C1-C0)},则在不一致性影响下电池组第i次使用时,理想的电池组容量为C i=f i(ΔC)C0.(4)综合考虑电池第n次使用理论容量公式和不一致性影响下电池容量衰减公式,可得电池第n次使用后实际容量表达式:C(n)=f n(ΔC)1-nPN C0.(5)因为电池组各电池间不一致性的存在是绝对的,所以容量衰减系数的存在也是绝对的.从式(5)可知,电池组的使用寿命永远小于寿命最短的单电池的使用寿命.提高电池组的使用寿命应从提高电池一致性和容量衰减系数的角度考虑,研究电池成组运用技术,使电池组使用寿命逐步趋于单电池的使用寿命.3 容量衰减系数的影响因素①电池组使用工况.主要包含电池组的充电578北京理工大学学报 第26卷方式、放电功率和放电深度.过充电、过放电都将严重影响电池组的使用寿命;长期在深放电工况下使用的电池组比浅放电工况的电池寿命短;充放电功率超出最佳充放电电流也会影响电池组使用寿命.因此纯电动汽车长期大电流、深放电的工作特性决定电池组的容量衰减系数较大.②电池组的连接方式.不同的连接方式将导致电池组的连接内阻、组间电池容量自消耗不同.电池单体先并联可有效促进并联单体电池间的容量自均衡,并保证电池组连接的可靠性[8].因此这种连接方式的电池组,容量衰减系数小于先串联后并联连接方式的.③电池组的使用环境.主要包括环境温度、振动特性等.高于或低于电池最佳工作温度都将对其使用寿命产生不利的影响.由于电池在车辆上的布置位置不同,通风和散热环境存在差别,电池工作在不同的温度环境内,将扩大电池间的不一致性,从而影响电池组的使用寿命.车辆行驶时产生的振动将对电池连接、极板固定、电解液流动产生直接的影响,从而影响电池的使用寿命.④电池组中单体电池数量.由于电动汽车类型和使用条件限制,对电池组功率、电压等级和额定容量的要求存在差别,电池组单体数量存在很大的差异.即使参数要求相似,由于电池类型不同,所需的电池数量也存在较大的差别.总体看来,单体数量越多,电池一致性差别越大,在使用中不一致性扩散越快,电池组容量衰减也越快.4 电池组使用寿命实例分析根据不一致性对电池组使用寿命影响的数学模型及容量衰减系数的影响因素分析可知,容量衰减系数是随电池使用工况、环境等因素变化而变化的参数.在下述计算中假定容量衰减系数为定值,并且f (ΔC )=0.999.根据公式(5),此电池第n 次循环实际容量可以表示为C n =0.999n1-nPN C 0.(6)以此为基础,根据国内外相关标准,按电池的实际容量衰减到80%额定容量(0.8C 0)时为寿命终止[9].分别计算正常放电深度(DOD )为80%,单电池循环寿命为300次、600次和1200次时成组使用的动力电池组使用寿命.计算结果如表1.由计算结果可见,电池组使用寿命明显低于单电池使用寿命,单电池使用寿命与电池组使用寿命的提高不成正比增加,单电池使用寿命提高1倍,电池组使用寿命仅提高几十次.表1 单电池不同使用寿命情况下动力电池组理论使用寿命Tab .1 Theoretical service life of the battery pack underdifferent cell service life序号单电池使用寿命/次电池组使用寿命/次1300132260016731200191 在上述计算中损伤系数f i -1(ΔC i -1)取为定常系数,并取最大值.而实际上f i -1(ΔC i -1)也是一个急剧衰减的时变函数,根据前述不一致性扩大原因分析及电动汽车实际行驶试验,电池不一致性将导致电池组内其它单体发生多米诺骨牌效应式的连锁反应.因此,若不对电池组进行及时维护,其实际使用寿命将缩短为单电池寿命的几分之一甚至十几分之一.上述计算结果在北京市公交示范线示范运行的电动汽车上得到了验证.经厂家及权威检测部门检测,单电池寿命400次以上的铅酸电池和1000次以上的锂离子电池在充放电使用约100次和150次后容量出现了严重衰减.抽检的部分单电池容量已低于电池额定容量的80%.在相关文献中也有类似的结论[10-11].单纯提高单电池使用寿命对电池组使用寿命的提高非常有限,必须提高电池成组运用技术,改善电池组工作环境和使用工况,增加电池在使用中的维护和保养才能有效提高电池组的使用寿命.5 提高电池一致性的措施从以上分析可知,即使在单电池技术取得重大突破、性能显著提高的前提下,提高电动汽车性能,特别是增加续驶里程和提高电池组使用寿命的关键就是提高动力电池的成组运用技术,尽可能提高和保证动力电池的一致性.根据动力电池应用经验和试验研究,从电池使用和成组筛选等方面可以采用8项措施,避免电池不一致性扩大,保证电池组寿命逐步趋于单电池的使用寿命.①提高电池制造工艺水平,保证电池出厂质量,579第7期 王震坡等:不一致性对动力电池组使用寿命影响的分析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、同一型号的电池组成.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(电动汽车停驶或行驶过程中)电压分布情况,掌握电池组中单电池不一致性发展规律,对极端参数电池进行及时调整或更换,以保证电池组参数不一致性不随使用时间而增大.④对测量中容量偏低的电池,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恒和性能恢复.⑥避免电池过充电,尽量防止电池深放电.⑦保证电池组良好的使用环境,尽量保证恒温,减小振动,避免水、尘土等污染电池极柱.⑧研制开发实用性电池组能量管理和均衡系统,对电池组充放电进行智能管理.参考文献:[1]王震坡,孙逢春,张承宁.电动汽车动力蓄电池组不一致性统计分析[J].电源技术,2003,27(5):438-441.Wang Zhenpo,Sun Fengchun,Z hang Cheng ning.Studyon inconsistency of electric vehicle battery pack[J].Chi-nese Journal of Pow er Sources,2003,27(5):438-441.(in Chinese)[2]陈清泉,孙逢春,祝嘉光.现代电动汽车技术[M].北京:北京理工大学出版社,2002.Chen Qingquan,Sun Feng chun,Z hu Jiaguang.M oder nelectric vehicle technology[M].Beijing:Beijing Instituteof T 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探析新能源汽车电池技术存在的问题及对策
NEW ENERGY AUTOMOBILE | 新能源汽车探析新能源汽车电池技术存在的问题及对策赵国亮安阳市高级技工学校 河南省安阳市 455000摘 要： 随着社会的不断发展进步，环境污染问题和资源浪费也越来越严重，所以新能源汽车便应运而生了，相对传统的燃油汽车而言，新能源汽车对环境的污染较小、且不会耗费大量的自然资源。
新能源汽车较传统燃油车相比，其动力来源主要是动力蓄电池，所以新能源汽车的电池技术如若有所发展，那么新能源汽车势必会发展壮大。
本文就结合我们国家目前的新能源汽车的电池技术所存在的问题提出解决措施。
关键词：新能源汽车 电池技术 节能环保现在绿色和环保越来越成为我们国家发展过程中最受重视的问题之一，除此之外，这也是我们汽车行业现在发展的一个重要趋势。
所以在发展的过程中，我们需要将环境问题重视起来，新能源汽车的出现在很大程度上减少了对环境的污染和资源的浪费，就现在的情况来看，新能源汽车在未来将会成为一种发展趋势，所以我们要将新能源汽车重视起来。
首先就是新能源汽车的电池技术，其是提供新能源汽车的主要动力来源，所以要对电池技术现存的问题进行探讨，从而研究出解决措施，本文为此提供一些参考建议。
1 新能源汽车电池技术概述新能源汽车电池技术对于新能源汽车来讲，是十分重要的一项技术，在近年来新能源汽车的发展过程中，由于不同类型的新能源汽车，车用动力蓄电池的使用方式不同，因此对其性能要求也有较大区别。
HEV（油电混动）由汽油发动机作为动力来源，更强调加速性能和爬坡能力，因此更注重电池的比功率；PHEV（插电式混动）和EV（纯电动）完全以蓄电池作为动力，更强调充电后的续驶能力，因而更关注电池的比能量。
这些电池技术因为对环境污染和资源浪费所造成的影响较大，所以也越来越被人重视。
由于电池各自性能、材料、成本等存在显著差异，因此不同类型动力电池的使用前景不同。
目前技术最成熟的是镍氢动力电池，但商业化最成功的是锂离子电池，燃料电池则被广泛视作远期目标。
纯电动汽车锂电池管理系统的研究
纯电动汽车锂电池管理系统的研究摘要:随着全球经济发展以及能源、环保等问题的日益突出,汽车产业向节约能源的绿色汽车业转型,电动汽车以零排放和噪声低等优点已成为节能环保绿色车辆最主要的发展方向之一,新能源汽车已被世界各国所看重,这是汽车产业的发展趋势,也是时代的产物。
作为发展电动车的关键技术之一的电池管理系统研究是解决该问题的关键,倍受人们的关注,是电动车产业化的关键。
关键词:电动汽车电池管理系统锂电池我国汽车产销量和保有量迅速增长,2011年8月底,全国机动车保有量达到2.19亿辆。
其中,摩托车占54.12%,约为1.19亿辆。
汽车保有量占机动车总量的45.88%,刚刚超过1亿辆。
我国已有10个城市被列入全球大气污染最严重的20个城市之中,而机动车污染排放是城市空气污染的主要来源之一。
经过10年左右的研发投入与攻关,我国新能源汽车(电动汽车)已经形成“三纵三横”的研发格局。
“三纵”就是混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车;“三横”就是多能源动力总成控制系统、电机及其控制系统和电池及其管理系统。
动力电池是电动汽车的动力源。
本文介绍动力锂电池、动力电池组的均衡技术、动力电池SOC估计等方面。
1 动力锂电池锂离子电池具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长、自放电电流小、无记忆效应、无污染和性价比高等优点,而且锂离子电池的放电曲线很平缓,可以在电池的整个放电期间内产生稳定的功率。
因此,锂电池成为车用动力电池的主选之一。
(1)锂电池管理系统。
主要包括以下四个方面:①保障各节电池容量的均匀性;②及时诊断出电池出现的问题;③防止电池的过充电和过放电;④准确地获得电池的荷电状态(SOC)。
(2)动力锂电池管理系统功能。
①电池工况监测:实时采集的数据有单体模块电池电压,电池总电压、电池总电流、以及多点温度等。
②剩余电量(SOC)估计:电池剩余能量相当于传统车的油量。
系统应在线采集电流、电压等参数,通过相应的算法进行SOC的估计。
电动汽车研究报告
虽然我国汽车工业起步较晚，但是面对能源危机、环境问题我国在20世纪80年代掀起了电动汽车的研究高潮，电动汽车被国家列为“八五”、“九五”科技攻关项目。国内一些科研院所和生产企业相继开始研究电动汽车，并取得了一些成果。目前技术较为成熟的车型右有比亚迪F3DM、F6DM、E6，天津清源系列车型，奇瑞QQ3 EV、M1 EV。一汽、上汽、广汽、吉利等车企也在积极投身到电动汽车研发中去。比亚迪与广汽乘用车已经开始着手研究混合动力车型，比亚迪混合动力车型已经量产，广汽乘用车产品也即将上市。就传动形式而言，纯电动汽车机械传动机构只有主减速器，混合动力车型具备完整的传统传动机构。
正由于超级电容尤其诸多的优势，美国、日本、俄罗斯、瑞士、韩国、法国的一些公司凭借多年的研究开发和技术积累，目前处于领先地位。目前国内从事大容量超级电容器研发的厂家共有50多家，能够批量生产并达到实用型使用标准的厂家有10多家。
超级电容电池大多应用在商用车、专用车上，乘用车上还没有进行大规模应用。
2.2.1
3、加大财政补贴力度
2011-2015年，中央财政安排专项资金，重点支持新能源汽车示范推广和以混合动力汽车为重点的节能汽车推广。私人购买新能源汽车的示范推广试点城市应安排专项配套资金，主要用于支持私人购买新能源汽车、建设充电设施、开展电池回收，其中对私人购买新能源汽车的财政补贴比例，不得低于中央财政资金的50%。
电动汽车研究报告
（乘用车篇）
单位：辽宁XX汽车集团
部门：车桥研究院轻型车桥所
二〇二一年四月九日
摘要
环境污染、石油匮乏已成为目前汽车发展的新问题，加之近几年石油价格高涨，汽车传统的能源形势已经显现出危机的端倪。因此，开发节能环保型汽车及研发新的替代能源已经迫在眉睫。国际上各大汽车集团在积极的推进研究工作，我国政府也在积极推进此项工作，并在政策上给予极大的扶持政策。同时也有一批有竞争能力的自主品牌企业在节能环保型汽车的研发制造上取得了一定的成绩。
融合单体电压和SOC不一致性的磷酸铁锂电池组高效均衡策略研究
融合单体电压和SOC不一致性的磷酸铁锂电池组高效均衡策略研究750000摘要：随着电动汽车和储能系统的快速发展，磷酸铁锂电池作为重要的能量存储设备，其高效均衡策略研究对于提升电池组性能和可靠性至关重要。
然而，由于电池单体之间存在电压和SOC（State of Charge）不一致性，电池组的循环寿命和能量利用效率受到一定程度的限制。
因此，本文以磷酸铁锂电池组为研究对象，探索一种融合单体电压和SOC不一致性的高效均衡策略。
关键词：磷酸铁锂电池组；单体电压；SOC不一致性；高效均衡策略引言磷酸铁锂电池组在实际使用中往往由多个电池单体串联组成，而电池单体之间存在着电压和SOC的差异。
这种不一致性会导致电池单体的充放电特性不同，进而引发电池组容量衰减加剧、能量利用率下降等问题。
因此，如何解决磷酸铁锂电池组中不一致性问题，实现单体间的高效均衡，成为提升电池组性能和延长寿命的关键。
一、单体电压和SOC不一致性分析通过对磷酸铁锂电池组的各个单体进行测试与分析，我们可以深入探讨电压和SOC的不一致性产生的原因和特点。
首先，我们需要了解磷酸铁锂电池组的组成结构和工作原理。
磷酸铁锂电池组由多个电池单体串联而成。
每个电池单体都有不同的电化学性能和老化特征，使得它们之间存在电压和SOC的差异。
这种不一致性主要有以下几个原因：1. 制造差异：在电池单体的制造过程中，可能会存在一定的生产差异，如材料配比、工艺参数、温度控制等因素。
这些差异可能导致不同单体的内部结构和性能存在差异，从而引起电压和SOC的不一致性。
2. 使用差异：在实际使用过程中，电池单体的工作环境和工作条件也会对其性能产生影响。
比如，温度变化、放电速率、充电策略等因素都会导致不同单体的电压和SOC发生变化，进而产生不一致性。
3. 老化差异：随着电池组的使用和充放电循环次数的增加，不同单体的老化程度可能会有所不同。
一些单体可能出现容量衰减严重、内阻增加等老化现象，从而导致其电压和SOC与其他单体产生差异。
影响动力电池一致性的因素分析以及6大解决措施
影响动力电池一致性的因素分析以及6大解决措施编者按锂离子电池一致性是指：用于成组的单体电池的初期性能指标的一致，包括：容量、阻抗、电极的电气特性、电气连接、温度特性、衰变速度等。
以上因数的不一致，将直接影响运行中输出电参数的差异。
锂离子电池目前在新能源汽车、智能电网等领域中大规模应用情况在逐年增加，但目前电池参数的不一致性是影响电池组使用寿命的关键因素，虽然热管理水平的提升在某种程度上保证了电池组的安全运行，但对于提升电池的一致性水平仍然是大规模使用锂电池的重要技术影响因素。
通过对一个10串10并电池组的模拟，阐明了电池组内的温度分布对其性能与循环寿命的影响。
平均温度越低，温度不均匀程度越高，电池组内单电池放电深度的不一致性越高；平均温度越高，温度不均匀程度越高，电池组循环寿命越短。
值得注意的是，不均匀的温度分布会导致并联支路间电流分配不均，从而恶化单电池老化速率的一致性。
锂离子电池一致性是指：用于成组的单体电池的初期性能指标的一致，包括：容量、阻抗、电极的电气特性、电气连接、温度特性、衰变速度等。
以上因数的不一致，将直接影响运行中输出电参数的差异。
锂离子电池组的不一致性或电池组的离散现象就是指同一规格型号的单体蓄电池组成电池组后, 其电压、荷电量、容量、衰退率、内阻及其随时间变化率、寿命、温度影响、自放电率及其随时间变化率。
单体电池在制造出来后，本身存在一定性能差异。
初始的不一致度随着电池在使用过程中连续的充放电循环而累计，导致各单体电池状态（SOC、电压等）产生更大的差异；电池组内的使用环境对于各单体电池也不尽相同。
这就导致了单体电池的不一致度在使用过程中逐步放大，从而在某些情况下使某些单体电池性能加速衰减，并最终引发电池组过早失效。
不一致性原因从时间顺序划分，电池组中单体电池的不一致性主要体现在两方面：制造过。
锂离子电池组单体一致性筛选指标研究
锂离子电池组单体一致性筛选指标研究锂离子电池作为一种重要的储能装置，在电动汽车、手机、电子产品等领域得到广泛应用。
然而，由于锂离子电池组内单体之间的不一致性，会导致电池组的性能下降、寿命缩短甚至故障。
因此，研究锂离子电池组单体一致性筛选指标，对于提高锂离子电池组的性能和安全性具有重要意义。
锂离子电池组单体的一致性主要体现在电压、容量和内阻等方面。
电压一致性是指电池组内各单体的电压差异较小，以保持电池组的稳定工作状态。
容量一致性是指电池组内各单体的容量差异较小，以确保电池组能够提供一致的电能输出。
内阻一致性是指电池组内各单体的内阻差异较小，以减少能量损耗和温升。
为了研究锂离子电池组单体一致性筛选指标，首先需要建立一套合理的评估体系。
可以利用电压、容量和内阻等参数对锂离子电池组单体进行测试，并根据测试结果制定评估指标。
例如，可以采用电压差异、容量差异和内阻差异的标准差来评估锂离子电池组单体的一致性。
同时，还可以结合电池组的工作环境和要求，设定一定的容差范围，以确保电池组的安全可靠性。
其次，需要进行大量的实验研究，对不同品牌、型号和工艺的锂离子电池进行测试。
通过对比分析，筛选出一致性较好的锂离子电池组单体，并确定其相关特征参数。
这样，就能够为电池组的优化设计和生产提供科学依据。
最后，还需要对锂离子电池组单体一致性的影响因素进行探究。
例如，锂离子电池组单体的制造工艺、材料选择、电化学性能等都会对一致性产生影响。
通过分析这些因素，可以进一步优化电池组单体的生产工艺和材料选择，提高电池组的一致性和性能。
综上所述，锂离子电池组单体的一致性筛选指标研究对于提高锂离子电池组的性能和安全性具有重要意义。
通过建立合理的评估体系，开展大量的实验研究，并深入分析影响因素，可以为锂离子电池组的设计、生产和应用提供科学依据，推动锂离子电池技术的发展。
电动汽车的安全特性与可靠特性评估研究
电动汽车的安全特性与可靠特性评估研究在当今的交通领域，电动汽车正逐渐成为主流选择。
随着环保意识的增强和技术的不断进步，电动汽车的市场份额逐年增加。
然而，与传统燃油汽车相比，电动汽车在安全特性和可靠特性方面有着独特的特点和挑战。
对电动汽车的安全特性与可靠特性进行评估研究，对于保障消费者的生命财产安全、推动电动汽车产业的健康发展具有重要意义。
一、电动汽车的安全特性1、电池安全电池是电动汽车的核心部件之一，也是安全问题的关键所在。
电动汽车所使用的锂离子电池在过充、过放、短路、高温等情况下，可能会发生热失控，从而引发火灾甚至爆炸。
为了确保电池的安全，电动汽车制造商采取了一系列措施，如电池管理系统（BMS）、热管理系统、高强度防护外壳等。
电池管理系统能够实时监测电池的电压、电流、温度等参数，一旦发现异常情况，及时采取措施进行保护。
热管理系统则可以有效地控制电池的工作温度，避免温度过高或过低对电池性能和安全性造成影响。
此外，高强度的防护外壳能够在一定程度上抵御外界的碰撞和挤压，减少电池受损的风险。
2、高压电气系统安全电动汽车的高压电气系统工作电压通常在几百伏甚至上千伏，远远高于人体安全电压。
因此，高压电气系统的绝缘性能和防护措施至关重要。
车辆制造商通过采用优质的绝缘材料、合理的布线设计以及完善的漏电保护装置，确保高压电气系统在正常工作和发生故障时，不会对乘客和维修人员造成电击伤害。
同时，在车辆的醒目位置设置高压警示标识，提醒人们注意安全。
3、碰撞安全与燃油汽车一样，电动汽车在发生碰撞时也需要保证乘客的生命安全。
然而，由于电动汽车的电池组通常安装在车辆底部，增加了车辆的重量和重心高度，这对碰撞安全性能提出了更高的要求。
为了应对这一挑战，电动汽车在车身结构设计上进行了优化，采用高强度钢材和先进的碰撞吸能技术，以分散和吸收碰撞能量。
此外，一些电动汽车还配备了主动安全系统，如自动紧急制动、车道偏离预警等，能够在碰撞发生前提前采取措施，降低事故的严重程度。
车用动力锂离子电池单体不一致性问题研究综述
体发热不同， 如果温度场设计不合理， 会导致各单体 温度的不一致。另外， 对于并联电池系统而言， 由于 单体电池内组及连接差异， 实际单体电流也会不同。 上述的因素在电池实际运行过程中相互耦合， 最终 导致了电池组内各单体性能衰减速率不同 。 而由于 性能衰减速率的差异， 又进一步引起了电池容量和 内阻等差异变大， 形成正反馈效应。
图3 电池单体内阻分布
称容量衰减速率和单体电池初始 SOC 的差异。 对 并联型电池系统而言， 除上述 3 个原因外， 还可能由 于电池内阻差异， 导致电池的工作电流不同。 这里 以串联 系 统 为 例， 简单分析单体电池容量差异对 SOC 不一致的影响， 其他因素造成的 SOC 差异可用 相似方法分析。
2 1 锂离子电池一致性问题的成因分析
锂离子电池不一致的表现规律
锂离子动力电池的制造过程一般包括配料、 涂 膜、 装配和化成等步骤。 在上述步骤中的每个环节 都可能会由于材料及制造精度等原因造成单体电池 在锂离子电池制造过程中， 之间的不一致。 比如， 正、 负极活性物质的涂布需要有很高精度 ， 这是保证 电池性能可靠和一致的关键。混合好的浆料置于密 封的容器内， 涂布时浆料进入的量由高精度的泵控 制。然而， 实际制造中， 无论是容器的密闭还是浆料 进入量的控制都可能会发生偏差， 从而影响涂布的 ， 。 厚度 导致电池性能产生差异 由于制造环节造成的电池单体性能差异， 会在 使用过程中耦合使用条件造成电池性能衰减速率的 不一致， 并引发单体电池差异逐渐放大。 一般由于 初始性能参数的差异和外部使用条件的一致性难以 完全保证， 会导致电池工作状态的差异， 而电池工作 状态的差异又进一步加剧了电池性能变化的差异。 两者相互耦合作用如图 1 所示。 对电池寿命问题的研究表明， 电池性能衰减主 要影响因 素 是 温 度、 放 电 深 度 （ depth of discharge， DOD） 和电流倍率［4 － 6］。对于电池组内的单体电池， 由于容量不一致， 在相同的电流工况下， 会带来实际 电流倍率和 DOD 的差异； 而由于内阻差异， 导致单
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收稿日期:20020508基金项目:北京市科技计划项目(H020*********)作者简介:王震坡研究方向为车辆电传动技术.文章编号:10094687(2002)04001105电动汽车电池组连接可靠性及不一致性研究王震坡, 孙逢春(北京理工大学机械与车辆工程学院,北京 100081)摘 要:通过对电动汽车用锂离子电池特性的研究,建立了电池组模型并分析了充放电基本规律,重点讨论了电池组可靠性和电池组中单个电池性能不一致性对电池组性能和寿命的影响及对电动汽车行驶性能的影响,提出了在使用方面的解决方案.关键词:电池组模型;充电规律;放电规律;可靠性;不一致性中图分类号:U 469.72+2 文献标识码:A1 前 言电池技术作为电动汽车发展的关键技术一直困扰着电动汽车产业的发展.为了提高电动汽车的动力性和续驶里程,比能量高、使用寿命长、比功率大的电池是研究的重点.但在电池技术没有质的提高的前提下,电池组的连接可靠性和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性能.北京理工大学与北京公交总公司联合开发的电动公交车BJD6100-EV 通过运行试验,对制约电动汽车发展的电池组连接可靠性及不一致性进行了研究,提出了在电池组使用方面提高电动汽车续驶里程的理论和建议[1,2].图1 电池模型2 电池组模型及充放电基本规律BJD6100-EV 电动大客车采用国产锂离子电池.电池基本参数为容量100Ah ,工作电压范围2.8～4.25V ,标称电压3.6V .很明显单个电池不能达到电动汽车的使用要求,所以采用4个锂离子电池并联为一组,108组串联为电动机供电,电池模型如图1所示.图中E 为电池总电势,U 为工作电压,Z 为负载阻抗,R 为电池总内阻.在常温条件下,电池组的工作电压范围为302.4～459V .车辆运行中总电压降至340V 表示电池应该充电;低于302.4V 车辆应不再运行,否则电池将产生损坏.2002年第4期 车辆与动力技术V ehicle &Pow er T echnolog y 总第88期图2 电池组充电曲线 电池组的充电曲线如图2所示.电池组及单电池放电曲线如图3、图4所示.电池组充电为先恒流充电到电压升至最高(即459V ),再恒压充电,在此阶段电流逐渐减小,电流降至10A 时即可停止充电.电池容量的增加在恒流阶段为线性的,在恒压阶段为斜率逐渐变小的非线性过程.在电池及电池组的放电曲线中,放电初期,电压下降较快,放电中期,电压平缓下降,放电后期(即深度放电)由于电池组不一致性增加,将对电池组的寿命产生严重影响,所以在放电曲线中未涉及.图3 电池组放电曲线 图4 单电池放电曲线3 电池组连接的可靠性3.1 可靠性理论元件正常工作的概率称为这个元件的可靠性,系统正常工作的概率称为这个系统的可靠性.下面在假设各元件可靠性均为r (0<r <1)且各元件能否正常工作是相互独立的情况下,比较两种常用电池组连接模型(见图5)的可靠性.记A k 表示a k 能正常工作,B k 表示b k 能正常工作,其中k =1,2,3…n .P (A i ),P (B j )代表元件的可靠性概率,则有P (A i )=P (B j )=r .而元件失效的概率为p (A i )=p (B j )=1-r ,其中i ,j =1,2,3…n .对于图5a ,系统能正常工作的事件是[(A 1∩A 2…∩A n )∪(B 1∩B 2…∩B n )],系统能正常工作的概率为:R s =P [(A 1∩A 2…∩A n )∪(B 1∩B 2…∩B n )],(1) 经推导,可得到:R s =r n (2-r n ).(2)对于图5b ,系统能正常工作的事件是[(A 1∪B 1)∩(A 2∪B 2)…∩(A n ∪B n )],系统能正常工作的概率为:R s =P [(A 1∪B 1)∩(A 2∪B 2)…∩(A n ∪B n )],(3) 经推导,可得到:R s =r n (2-r )n .(4)·12· 车辆与动力技术2002年 图5 可靠性分析模型根据式(1)、(3),利用相同的分析方法和数学归纳法,可以得出先由m 个元件并联组成子系统,再由n 个子系统串联组成系统的系统可靠度R s =Πn i =1[1-(1-r i )m ];(5) 先由m 个元件串联组成子系统,再由n 个子系统并联组成整体系统的系统可靠度R s =1-Πmi =1[1-r i )n .(6)3.2 电池模型可靠性计算结果假设单个电池可靠度相同且R i =0.99,以实际试验车所用锂离子电池组模型为例,电池总数为432块.1)若先并联后串联,设m =4,n =108,则R s =[1-(1-0.99)4]108=0.999. 2)若先串联后并联,设m =108,n =4,则R s =1-[1-0.99108]4=0.807. 从以上计算可以看出,先并联后串联系统连接可靠性远远大于先串联后并联的情况.因此从连接可靠性角度,建议电池组采用先并联后串联的连接方法.4 电池不一致性对电动汽车性能的影响[3]图6 不同放电深度电压不一致性电动汽车的动力性、续驶里程取决于电池的性能.电池不一致性是影响电动汽车整车性能的主要因素.电池技术的现状表明,电池不一致性在充满电时还表现不很明显,但经过一段行车后(浅放电阶段),直观从电压角度将呈现出一定的不一致性,在电池深放电(80%以上)时电池不一致性将是影响电动汽车续驶里程的重要因素.图6显示了BJD6100-EV 电动大客车采用的锂离子电池组在不同放电情况下电池电压的不一致情况.从图中可以看出,在80%放电的情况下,单电池的最高电压为3.3V ,在电池的正常工作电压范围(2.8～4.25V )之内;最低电压为2.5V ,超出了电池的最低电压,电池间的电压差为0.8V .在此情况下继续放电,电压较低电池因没有能量可以放出,将产生永久性损坏.若坏电池没有及时发现,使其和正常电池一起使用,它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,不能再继续放电.车辆良好的动力性源于高功率,电动汽车的高功率需要电池大电流·13· 第4期王震坡等:电动汽车电池组连接可靠性及不一致性研究 放电,而大电流放电将加剧不一致性的形成.因此,电动汽车的最大放电电流受到限制,从而影响了电动汽车的动力性.根据电池组不一致性对电池性能影响方式不同和作用原理不同,可以把电池的不一致分为容量不一致、电阻不一致和电压不一致.4.1.1 容量不一致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,所以有的电池以最佳放电电流放电,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.以上3个原因,使容量不足的电池在充放电过程中进入恶性循环,提前损坏.4.1.2 电阻不一致性1)串联组在放电过程中,串联组中电流相同,内阻大的电池,电压降大,能量损失大,产生大量热量,而温度越高,内阻越大,能量损失越大.若热量不能及时散失,电池温度将持续升高,可能导致电池变形甚至爆炸的严重后果.在充电过程中,由于内阻不同,分配到串联组每个电池的充电电压不同,将使电池充电电压不一致,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电压极限,由此为了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.2)并联组在放电过程中,各并联组电压相同,内阻大的电池,电流小.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.同时电池放出能量不同,使相同工作条件下,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,所以相同时间内充电容量C t =∫ti (t )d t 不同,即电池的充电速度不同,从而影响整个充电过程.在实际的充电过程中,只能在防止充电快的电池过充电和防止充电慢的电池充不满之间采取折衷方法.4.1.3 电压不一致图7 电池并联放电电压曲线电压不一致主要影响在于并联组中电池的互充电,当一节电池电压低时,并联组中其他电池将给此电池充电.这种联结方式,能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出.把初始电压分别为12.22V ,13.42V 的两节铅酸电池直接并联,放电曲线如图7所示,两节电池在整个过程电压大约·14· 车辆与动力技术2002年 相差0.01V .经过12小时,拆开连线两节电池电压分别恢复为12.45V ,12.81V .从此图电压变化情况可以看出,低压电池容量小幅提高的同时高压电池容量急剧降低,大部分能量损耗在互充电过程中.BJD6100-EV 锂离子电池电动公交车运行试验证明了电池不一致性对电动汽车性能的影响.随着行驶里程的增加,电池的不一致将进入恶性循环.最直观反映为运行一段时间后出现的电池电压不一致性增加.装车时,充电后单电池电压的不一致性在0.1V 以内,行驶2500km 后已经达到0.2V .目前,在电池技术没有重大突破、性能没有显著提高的前提下,提高电动汽车性能,特别是增加续驶里程和提高电池组使用寿命的关键就是尽可能保证电动汽车电池特性的一致性.为避免电池不一致,建议在使用中采取以下6方面措施:①电池制造厂提高工艺水平,保证电池出厂质量,尤其是初始电压的一致性.电池出厂前,对电池进行筛选,以保证一批电池电压尽可能一致.②在电池装车后,应尽可能保证各个电池充电结束时的电压相等,通过定期检验,发现电压过低的电池,进行单独充电,使其性能恢复.③间隔一定的时间进行小电流涓流充电,使电池的性能得以恢复.④行驶一定里程后,调换相同使用条件下电压与大多数电池相差过大的电池.⑤加装电池组能量均衡系统,对电池组充放电进行智能管理.⑥有条件的情况下,尽量防止电池深放电.5 结 论通过电池模型建立,连接可靠性计算方法的确定以及对电池组不一致性的研究,提出了在使用方面提高电池组性能和寿命的方法,为合理使用电池和电动汽车设计与运行研究提供了科学依据.参考文献:[1] 孙逢春.电动汽车[M ].北京:北京理工大学出版社,1997.[2] Chan C C ,Chau K T .Modern Electric Vehicle T echnolog y [M ],England ,Ox fo rd U niversity Press ,2001.[3] 麻友良,陈全世.混合动力电动汽车用蓄电池不一致性的影响分析[J ].汽车电器,2001(2):5-7.Study of the EV Battery Pack Reliability and AsymmetryWANG Zhen -po , S UN Feng -chun(School o f M echanical &Vehicular Engineering ,Beijing Institute of T echnology ,Beijing 100081,China )A bstract :Throug h the road test of BJD6100-EV w hich is developed by Beijing Institute of Tech -nology and Beijing Public -Traffic Co .in Beijing ,the EV battery pack characteristics are studied .The basic model for the batteries is established for analyzing the basic rules for analyzing the basic rules of charge and discharge .The battery pack reliability and the EV perform ance influences are mainly discussed ,w hich are caused by single battery inconsistentness of the pack ,especially ,the solving method .Key words :battery pack model ;charge rule ;discharge rule ;reliability ;inconsistentness ·15· 第4期王震坡等:电动汽车电池组连接可靠性及不一致性研究 。