电池单体间的不一致性主要体现在电压不一致、SOC不一致(即电量不一致)、容量不一致、内阻不一致、温度不一致,事实上这些参数的不一致仅体现在当前状态的不一致。考虑到随时间的不一致性演化,电池单体间的不一致性、容量衰减不一致性和内阻老化不一致性等,这些作用于过程的参数不一致性通过时间累积将直接体现在状态的不一致性上,比如内阻增长率的不一致性直接作用于内阻不一致性,而容量衰减的不一致性则直接作用于容量不一致性。
图2-1给出了电池单体的参数不一致性相互间的影响关系。我们把这些参数分为三类,分别为初始状态量、当前状态量和时间累积量,它们之间相互影响的关系如图2-1所示。通常,我们选用当前状态量的不一致性来表达电池组的不一致性,而在当前状态量(容量、电压、SOC、内阻和温度)中直接影响电池组实际能量输出的是SOC和容量,直接影响功率输出的是内阻,而电池电压和温度是相对比较容易测量的物理量,因此这些当前状态量在实际的一致性分析中均有应用。但实际上,影响电池一致性的是初始状态量和时间累积量。初始状态量是电池成组时的电池状态,初始状态量的一致性对电池组短期的一致性有较大影响,且由于其测量和控制的难度相对不高,因此成为当前电池成组前筛选的主要考虑因素。而时间累积量则会对电池组长期的一致性产生影响,而且其影响程度比初始状态量更大,因此对时间累积量进行一致性的筛选工作比初始状态量更为重要。但由于时间累积量作为电池的参数比较隐蔽,而其筛选的难度也较大,因此在实际中对这些参数进行筛选的可能性较小。
图2-1 电池单体各特征参量之间的影响关系
电池组的一致性变差体现在实际应用中主要有3个方面:
1)成组的能量密度下降。由于初始容量不一致和初始SOC不一致,电池组的实际可用电量比任一电池单体都要低,这就直接造成了成组的能量密度下降。
2)成组的功率密度下降。由于初始内阻的不一致,所以串联电池组中可通过的最大电流被限制于功率密度最小的电池单体上,从而成组的功率密度下降。
3)寿命缩短。相比电池单体,电池组的实际可用电量除了受到容量衰减限制,还受到电池内阻变化的影响,因此其寿命相对于任一电池单体都要短。可以看出内阻和电池的容量衰减具有直接的相互关联,电池内阻的变化将对电池组的容量使用率造成很大的影响。
从上述分析和电池组一致性的大量实践中,可以总结电池组一致性的几个基本特点:
1)耦合性:电池单体间的参数不一致性相互耦合,形成一个复杂的关联网络,特别是温度的不一致性更是几乎影响到电池其他各种参数。部分参数耦合将形成正反馈,增大电池组的不一致性,如温度和内阻的耦合导致温度和内阻更大的不一致性。由于参数不一致的耦合性,电池组不一致性表现得较复杂,其内在的不一致性机理难以揭示。
2)统计性:电池组的一致性表现是组内电池单体统计特征的体现。电池组通常由成百上千块电池单体串并联而成,所有电池单体的参数符合一定的统计行为。一般认为电池单体各种参数符合正态分布,事实上却不一定是符合正态分布的,特别是对于部分参数电池内阻的增长而言,由于制造的差异,电池组内的电池单体内阻的增长不会呈现正态分布。
3)权重性:电池组中性能差的电池单体会对电池组的不一致性造成非常恶劣的影响,而处于平均性能的电池单体对电池组不一致性不会造成影响。所以利用统计学来描述这些参数从而对电池组的不一致性进行分析时,还要考虑到电池组一致性的权重问题。在统计学中各种样本的权重一般都是一样的,如标准差和方差等,而极差则是极端的权重情况。
4)不可逆性:在没有外界作用下(如均衡或更换部分电池单体),电池组的一致性总是趋向于变差的。电池组在成组初期受到初始状态的不一致性影响存在一定的不一致性,但一般受到电池筛选的控制,因而初始的不一致性不会很大。电池组的不一致主要是由电池组时间累积量的不一致导致的,因时间累积导致的电池组不一致是不可逆的,不一致总是趋向增加的。
5)渐变性:电池的一致性变化是渐变的,即使一致性很差,也不会产生非常快速的一致性下降。这是因为时间累积量的作用在短期内是非常小的,因此用于衡量电池组一致性变化的尺度通常不是以小时,甚至不是以天计算的,而是以月计算的。如果电池组的一致性判断结果发现突变,则意味着电池故障,或者一致性判断出错。