2.4 动力电池系统不一致性分析

2.4.1 动力电池系统不一致性的表现形式

动力电池系统的不一致性是指相同规格型号的单体电池在组成电池组后，其电压、SOC、RUL、温度、容量衰退速率、内阻及其变化率、自放电率等参数存在一定的差别。动力电池系统的不一致性在其制造出厂时主要表现在以下两个方面：①制造过程引起的单体原始差异，制作工艺上的误差和电池材质的不均匀，会使电池极板活性物质的活化程度、厚度、微孔率等存在微小差别，这种电池内部结构和材质上的不一致性会使同一型号同一批次电池的容量、内阻等参数在出厂时就具有一定的不一致性；②装车使用时的环境差异造成的单体退化差异，由于各单体电池的储存温度、通风条件、自放电程度和电解液密度等都会具有一定的差别，这在一定程度上也加剧了电压、内阻及容量等电池参数的不一致性。

根据动力电池系统在使用过程中的不一致性扩大原因和对电池性能的影响方式，可以将电池的不一致性分为电压不一致性、容量不一致性和内阻不一致性。

1.电压不一致性

电池电压不一致的主要原因是由于并联电池组中单体电池之间的互充电，当并联电池组中某一节电池电压较低时，其他电池将会给该电池充电。并联电池电压的不一致性如图2-6所示，假设1号电池的端电压 U ₁ 低于2号电池的端电压 U ₂ ，则两个电池之间就如同形成了一个充电电路，使2号电池给1号电池进行小幅度充电。这种并联连接方式会使低压电池容量小幅增加的同时，使高压电池容量急剧降低，并且在这个互充电过程中产生能量损耗令电池达不到预期的对外输出效果。如果低压电池和正常电池一起使用，将会成为电池组的负载并影响其他电池工作，进而加快整个电池组的寿命衰减。

此外，由于电池SOC在一定范围内与OCV呈线性关系，因此电池在静态工况（一般指电池静止1h以上）下OCV的不一致性也能从一定程度上体现电池能量状态的不一致性。

2.容量不一致性

动力电池系统在实际工作过程中的容量不一致主要是由起始容量不一致和放电电流不一致综合引起的。初始容量的一致性一般可以通过出厂前的分选实验得到较好的保证，即便在电池的使用过程中，通过不一致单体的独立充放电也能将初始容量的差异性变得更小，因此初始容量不一致并不是动力电池系统成组应用的主要矛盾。

容量的不一致性会对动力电池系统的健康状态直接造成不良影响，致使其可用容量降低。根据木桶效应原理，一个串联电池组的最高可用容量由其中容量最低的电池决定，所以容量不一致会使整个电池组的实际可用容量降低。此外，由于各自容量不同，不同电池在相同充放电条件下的充放电情况也会不同，过充电或过放电现象会在容量较小的电池上发生并对其造成不可逆的损害，因此容量不一致在循环使用过程中会对动力电池系统的健康状况造成严重影响。

3.内阻不一致性

电池内阻不一致会使放电过程中各个单体的热损失量不同，进而影响单体电池的能量状态。内阻不一致可以分为串联和并联两种情况。

由于串联特性的关系，串联电池组在放电过程中使各单体的放电电流相同，内阻的不一致会使各单体的分压有所不同，内阻较大的单体分压较高，对应的电池内部能量消耗和产热量较大，温升较快；但是，电池内阻会随温度升高而继续增加，电池温度将持续升高，一旦散热达不到要求就会引起电池热失控甚至爆炸。在充电过程中，由于内阻的不一致性，内阻较大的单体电池将会被提前充到最高截止电压（Cut-Off Voltage, COV），如果此时为了保证安全性停止充电，则其余电池单体将无法充满；反之，如果继续充电，则会引起电池过充电并存在安全隐患，因此为了防止过充电需要对充电过程折中控制方法。

由于并联特性的原因，并联电池组在放电过程中使各单体的放电电压相同，内阻的不一致使各单体的电流有所不同，内阻较大的单体放电电流较小，内阻较小的单体放电电流较大，从而使各个单体工作在不同的放电倍率。在放电倍率不同的情况下，各个单体电池的放电深度也会不同，这会对电池的健康状况造成不严重影响。在充电过程中，各个并联支路的电流由于内阻的不一致而各不相同，所以各个单体在相同充电时间的情况下达不到相同的充电效果，各个单体被充到COV的时间也各不相同，为了防止过充电也需要对充电过程采取折中控制方法。

2.4.2 动力电池系统不一致性的发展规律

动力电池系统各种不一致参数之间并非相互独立，而是相互影响、互为因果关系的，其中最直接的表现形式就是电池电压的不一致性，电压的不一致性可以从一定程度上反映动力电池系统其他各种参数的不一致性。随使用时间和行驶里程的增加，动力电池系统不一致程度也会逐渐增加，最直观的反应为单体电压的不一致水平逐渐增加。下面以在北京市区内运行的某纯电动出租车的动力电池系统为例，探索其在车辆实际运行过程中电压不一致性的分布规律。

被研究动力电池系统在一年内不同时间段的单体电压频次分布如图2-7所示。从图中可以看出，1月份单体电压在3.273V出现的频次最高，随着时间的推移，3月份以后出现频次最高的电压上升为3.28V，这很可能跟北京市1月的环境气温较低有关；前3个月频次分布基本呈现出3.25~3.3V和3.35~3.4V两个区间的峰值，这可能由初始低温工作区和行驶一段时间后的正常温度工作区两个最常用工作区域形成的现象。随着使用时间的增加，3月份之后单体电压的频次分布逐渐集中形成一个峰值，且峰值两端基本呈对称分布且呈逐步下降趋势，分布状态与正态分布相似。

考虑到车辆行驶状态的复杂性，动力电池系统在行驶状态和充电状态下的性能特征是完全不同的。图2-8所示为被研究动力电池系统某日的实际行驶车速和单体电压曲线，从图中可以看出，单体电压的波动受到车速的直接影响且呈负相关关系。将被研究车辆的充电和行驶数据分开分析，得到两种状态下的单体电压概率分布和平均方差，如图2-9所示。由于使用时间的增加和复杂多变的运行环境，行驶状态下的单体电压分散程度比充电状态更明显，表现为行驶状态下的概率峰值（24.01%）比充电状态下的概率峰值（19.17%）大很多；单体电压的不一致性逐渐增大，表现为反映单体电压不一致性的平均方差随时间的推移在充电和行驶两种状态下都逐步升高；另外，行驶状态下的单体电压不一致性程度要远远高于充电状态，例如全年12个月的行驶状态平均方差0.009776明显大于充电状态下的平均方差0.007038。