金敏 JIN Min 郭淑清GUO Shu-qing

摘要： 锂电池在生产和使用的过程中，会产生各单体电池荷电状态（SOC）、电压、内阻不一致的现象，长时间累积会导致电池组过早报废。本文首先介绍了锂电池主要技术参数，重点分析单体电池性能不一致的原因和表现形式，然后选取均衡性目标。利用动力电池总成装调工作平台（B-GY01+B-GZ02）对锂电池单体电压进行测试，分析各单体电池工作状态。根据实验数据对不符合要求的单体电池进行更换，从而保证动力电池均衡性，提高电动汽车的能量利用率。

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.

关键词： 动力锂电池;电池均衡性;测试;装调平台

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

中图分类号：U472.43                 文献标识码：A                文章编号：1674-957X（2021）22-0220-02

0  引言

现在市场上的新能源汽车大多数是使用锂电池作为动力电池。而锂电池在出厂和使用过程中会导致参数不一致。而随着电池的使用会导致这种不一致度持续增大，使单体电池性能衰减，导致锂电池组过早报废。本文以磷酸铁锂电池及其串联电池组为对象，研究其单体电池工作的一致性。目前国内外对动力电池的研究大多集中在电池性能及单体电池连接件的研究，对单体电池均衡性的研究较少。李哲对磷酸铁锂电池的性能进行了研究。姜标、白冲等人对锂电池充放电性能进行了研究。张贵萍等人对锂离子电池成组技术及连接方法进行了介绍。雷明对电池模组连接件进行了优化设计。程燕兵提出一种基于单端反激电路双层开关臂的锂电池组双向均衡方法。

电池组的不一致性会造成电池组的容量损失，内阻增大，电池温度过高，缩短其使用寿命。本文利用动力电池总成装调工作平台（B-GY01+B-GZ02）对锂电池单体进行均衡性测试，分析各单体电池工作状态。根据实验数据对不符合要求的单体电池进行更换，从而保证动力电池均衡性，提高电动汽车的能量利用率。

1  锂电池主要技术参数

锂电池主要技术参数介绍，如表1所示。

2  锂电池组不一致性原因分析

锂电池一致性是指同一批次出厂的同型号锂电池，其电极特性、温度变化、衰减速率、电气连接等参数指标的一致性[11]。

2.1 锂电池不一致性产生的原因  锂电池的不一致性是一个长期累积的过程，首先出厂时，就不能保证单体电池完全的一致性，之后在车上使用，由于每个单体电池工作环境有细微差别，这个不一致性会加剧，长时间累积后，会使电池的各项参数，如容量、电压、电阻等指标有较大差异。

2.2 锂电池不一致性的表现形式  串聯电池组不一致主要体现在电池的剩余电量、工作电压、欧姆内阻等主要参数上。

2.2.1 容量  电池的实际容量C与初始容量C0、放电电流Ib的关系为：C=C0-Ib（t）dt（1）

出厂时初始容量会有微小差别，导致每个电池单体的放电电流的差异。使用一段时间后，组内各单体电池的容量差异逐步扩大，容量较小的单体电池每次都是满充满放，会导致其先于其他电池报废。

2.2.2 内阻  如果电池组串联则电池内阻损耗的能量为：E=I2（t）rdt（2）

式中， r—电池内阻;I—充电电流;t—充电时间变量。

电池组串联工作时，电流相等，内阻不等，会导致单体电池端电压不一致，所以提高电池内阻的一致性也是很重要的。

2.2.3 电压  在锂电池组充电过程中，如果单体电池电压不一致，电压高的单体电池会优先充满电导致其他单体电池在未充满电的情况下结束充电，从而降低了电池组的充电容量。在锂电池组放电过程中，电压低的单体电池会优先放完电，导致在其他单体电池在未放电完全的情况下结束放电，从而降低电池组的放电容量。长此以往，会缩短电池使用寿命。

2.3 电池均衡目标的选取  锂电池电量不一致在单体电池外部表现为电压、内阻、荷电状态（SOC）等多方面参数指标的不一致，这么多的参数就涉及到了均衡目标的选取问题。

2.3.1 以电池荷电状态（SOC）为均衡目标  电池荷电状态（SOC），定义为电池使用一段时间电池可放出的电量与电池完全充满电的电量的比值。公式如下：

SOC=QC/Qt（3）

式中，QC为电池的剩余容量;Qt为电池的满状态

容量。串联电池组均衡的目的实际是保证各单体电池在多次充放电后的剩余电量仍然能够保持在大致相同的一个范围内。从目的上来讲，电池荷电状态（SOC）适合作为均衡目标。但是由于SOC精确测量极其困难，所以将SOC 选为均衡目标的实际意义不大[11]。

2.3.2 以电池电压及内阻为均衡目标  电池电压和电池的荷电状态呈正相的关系，大致可以描述出电池当前状态，电池内阻需要保持一致性，阻值过大会影响充放电时间，将均衡目标选为电池端电压和内阻的优势为：电池组中各单体电池的精确电压值及内阻值检测精度高。另外锂电池单体在构成串联电池组时，选择在出厂时初始差异较小的电池进行串联，使电池端电压基本可以代替SOC来反映当前电池的剩余电量。

综上，SOC不适合作为均衡目标，将电压作为均衡对象，内阻作为辅助参考更为合理。本文后续测试也是基于电压和内阻作为均衡目标开展的。

3  动力電池总成装调工作平台（B-GY01+B-GZ02）介绍

3.1 总述  动力电池总成装调工作平台（B-GY01+B-GZ02）是针对纯电动汽车开发的集系统装调、数据采集、各系统测控功能设备。此设备主要用于纯电动汽车动力电池系统装调和测试。平台主要由动力电池总成装调工作平台及附属设备组成，包括点焊机、动力电池模组、继电器、电流传感器、车载充电机、交直流充电插座、及相关辅件组成。

3.2 动力电池组规格  动力电池由24块单体电池组成，分为4个模组，模组之间串联连接。每个模组6块单体电池，每个单体电池之间串联连接。单体电池标称电压3.2V，正常范围2.8V-3.6V。标准内阻0.8mΩ，正常范围0.4mΩ-1.2mΩ，总电压：76.8V。

4  电池的安装及测量

4.1 电池模组的安装  本文采用的测试电池组是总电压76.8V，标称电压为3.2V的24块单体电池组成。每6块单体电池串联为一个电池模组，共4个电池模组，电池模组之间串联。安装过程如下：①安装前先清洁单体电池、连接铜牌、电池模组等部件;②按照正确的电池正负极顺序安装4个电池模组;③安装电池单体连接线束;④安装电池模组固定螺栓;⑤确认电池模组正负极是否正确;⑥安装电池模组之间连接铜排及相关低压线束。

4.2 单体电池的测量  本文用内阻测试仪测量单体电池的电压和内阻。测量过程如下：①开机校零。如电压值和电阻不为零，需进行短路清零，直到电压值和电阻值都为零才可以测量。②两根测量线，红色夹住电池正极，黑色夹住电池负极。③待读数稳定，按住HOLD键，读数。④记录各个单体电池的电压和内阻数据。根据电压和内阻的标准范围：单体电池标称电压3.2V，正常范围2.8V-3.6V。标准内阻0.8mΩ，正常范围0.4mΩ-1.2mΩ。由此发现问题电池是17号电池，找到17号电池所在电池模组，将17号电池从该电池模组中拆下，更换在标准范围内的单体电池。再次进行复检，所有单体电池都在电压、内阻标准范围内，测量结束，从而达到保证单体电池均衡性的目的。在实车上的动力电池可以连接诊断仪，找到高压蓄电池模块，读取相应数据，从而发现不一致的模组，将模组拆卸，便可用内阻测试仪找到该模组中不一致的单体电池。

5  结论

本文首先对锂电池主要技术参数进行介绍，然后分析了单体性能不一致的原因、表现形式，然后选取均衡性目标。最后利用动力电池总成装调工作平台（B-GY01+B-GZ02）对锂电池单体进行均衡性测试，分析各单体电池工作状态，利用实验数据分析动力电池模组总电压及各单体电池是否正常，并根据实验数据对不符合要求的单体电池进行更换，从而保证动力电池均衡性，提高电动汽车的能量利用率。

参考文献：

[1]李哲.纯电动汽车磷酸铁锂电池性能研究[D].北京：清华大学，2011：26-32.

[2]白冲.充放电控制策略对蓄电池效率和寿命的影响研究[D].西安：陕西科技大学，2016：1-22.

[3]姜标，张向文.电动汽车用磷酸铁锂电池充放电特性实验研究[J].电源技术，2018（4）：494-496.

[4]刘向勇，王鑫鹏.基于改进蚁群算法的单体电池选配技术研究[J].数学的实践与认知，2021（4）：145-152.

[5]田万鹏，陈标.新能源汽车锂电池热管理系统热性能分析与优化控制研究[J].四川轻化工大学学报，2021（1）：56-62.

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