锂电池组单体不一致性综合评价方法研究-电气工程及其自动化本科毕业设计

1、本科毕业设计（论文）锂电池组单体不一致性综合评价方法研究学院名称信息工程学院专 业名称电气工程及其自动化学生姓名学号指导教师二o六年六月锂电池组单体不一致性综合评价方法研究摘要：由于单体电压和容量的限制，锂电池需要串并联成组使用，但是由于电池材料 和生产工艺等原因，各单体电池之间不可避免地存在不一致性。为了提高电池组使用 寿命以及消除使用时的安全隐患，本文在制造和使用过程中寻找锂电池不一致性的形 成原因，分析了锂电池电压、容量、内阻和自放电率这儿项参数对电池组的影响。分 析了四种不同的电池数学模型，根据本文所需以及各自的优缺点，采用了具有静态特 性的rint模型和具有良好动态特性的pngv模型

2、。对rint模型进行仿真分析锂电池 组并联和串联时，内阻和电压不同对锂电池组的影响。以及使用matlab对pngv 模型进行建模并仿真分析所构建模型，通过改变额定容量，分析输岀电压的改变。在 实验室蓄电池bmts检测与维护平台上针对锂电池的电压、容量、内阻和自放电率 这儿项参数进行相关的儿个实验，通过比较分析参数对锂电池的不一致性进行研究。 最终达到针对其不一致性这个根本问题，研究其不一致性评价方法，实现机载蓄电池 组单体不一致性综合评价，达到安全保障和有效报废回收目标。关键词：锂电池组；不一致性；使用寿命；串并联comprehensive evaluation method research

3、 oflithium battery monomer inconsistenciesabstract:because of cell voltage and capacity limitations, lithium battery series -parallel groups need to use, but because the battery materials and production processes and other reasons, it is inevitable inconsistencies between various cells. in order to

4、increase battery life and eliminate safety hazards when used herein looking lithium causes inconsistencies in the manufacturing and use, analysis of the lithium battery voltage, capacitance, resistance and selfdischarge rate of the battery which several parameters effect of the group. analysis of fo

5、ur different battery mathematical model, based on the desired article and their advantages and disadvantages, using rint model and static characteristics pngv model has good dynamic characteristics. rint lithium batteries in parallel and in series resistance and voltage different effects on lithium

6、batteries. and use matlab to pngv model modeling and simulation model constructed by changing the nominal capacity to analyze changes in the output voltage. bmts on laboratory testing and maintenance of the battery platform for several experiments related to the lithium battery voltage, capacity, in

7、ternal resistance and selfdischarge rate that several parameters, conducting research on lithium batteries inconsistency by comparing the analysis parameters. ultimately for their inconsistency this fundamental issue, study its inconsistency evaluation methods to achieve comprehensive evaluation on

8、board battery monomer inconsistencies achieve security and effective scrap recycling targets.key words: lithium battery pack, inconsistency, service life, series-parallel绪论选题背景国内外研究现状选题目的和意义木课题主要设计内容与要求锂电池不一致性分析锂电池不一致性形成原因分析锂电池组不一致性对使用寿命的影响单体电池对锂电池组一致性的影响231232233234容量的一致性电压的一致性内阻的一致性自放电的一致性连接方式、结构件

9、和器件对锂电池组一致性的影响使用工况及环境对锂电池组一致性的影响数子 型的选扌 "j* j 3.1.1 rint 模型3.1.2 thevenin 模型3.1.3 rc 模型3.1.4 pngv 模型模型分析3.2.1单体模型3.2.2串联和并联模型实验分析容量不一致4.1.1锂电池充放电前后可用容量 1 1 1 9 9 9 5 5 r r 8 8 8 8 8.10.10 114.1.3温度对电池容量的影响114.2自放电率不一致124.3内阻不一致134.3新旧锂电池的内阻134.3.2锂电池soc与内阻的关系144.4电压不一致15第5章模型仿真175pngv模型仿真分析175.

10、1.1参数获取175.1.2模型建立175.2 rint模型仿真分析235.2.1串联锂电池组245.2.2并联锂电池组255.3提高电池一致性的举措27531生产过程275.3.2分选制度285.3.3 模块285.3.4电池均衡管理285.3.4电池热管理285.3.5控制策略295.3.6其他使用过程29设计总结30致谢31参考文献错误!未定义书签。第1章绪论1.1选题背景航空领域受重量、体积限制，需要高能量密度和高功率密度蓄电池作为应急供能 和辅助动力电源。锂电池具有能量高、无记忆效应、低自放电率、贮存寿命长等优点, 已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、

11、照相机 等、部分代替了传统电池山。大容量锂离子电池已在电动汽车中试用，将成为21世 纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。 但目前由于单体电压和容量的限制，锂电池需要串并联成组使用，但是由于电池材料 和牛产工艺等原因，动力电池成组以后安全性和使用寿命显著降低，甚至频繁发牛电 池燃烧以及爆炸等严重事故。如2011年杭州的电动出租车和上海电动公交车因锂 电池过热导致自燃、2013年ja829j次航班波音787型客机中锂电池组模块冒烟起火 事故、近年来我国电动自行车起火事件频发，包括通用、卡玛、日产、比亚迪等几乎 所有品牌都发牛过因锂电池组引发的安全事故。国内相关

12、单位，如北航、清华、中科 大、中航锂电、长虹电源、德赛能源、天津力神、武汉力兴、西科大等单位开展了相 关研究工作，取得了一定成效，但仍缺乏可靠的解决办法卩1.2国内外研究现状电池组有串联、并联、混联等多种成组方式，不同的成组方式对电池组的不一致 性的影响是不一样的。电池组的不一致性又会严重影响到电池组的容量、寿命、安全 等多个方面。目前，由于电动汽车用磷酸铁锂动力电池的制造工艺还处于发展阶段， 电池组中不一致性的问题更加突出o动力锂离子电池的寿命问题是制约目前电动汽车和电池储能技术的关键问题之 一，经过“八五，倒“十一五"期间的持续攻关和技术发展，我国在动力锂离子电池的材料 木体和电

13、池制造应用等方面都取得了显箸成绩，并已成为世界锂离子电池的主要牛产 国。通过北京奥运会、上海世博会的电动汽车示范运行，国家“十城千辆叩勺电动汽车 推广工程,以及南方电网和国家电网公司的电池储能电站示范工程的实施，大力推动了 动力锂离子电池的产业发展氏进入“十二五,，以来,为了进一步推动我国的电池技术的 发展,国家高技术研究发展(863)计划、国家重点基础研究发展(973)计划已经明确了电 池的性能指标，并将电池寿命分列至材料、电池和电动汽车等多项课题进行研究。目前国内外对电池组不一致性的研究并不成熟，相关文献较少。王震坡闾等提岀 了“电池容量损伤系数”论证了不一致性对电池组寿命的重要影响。张宾

14、bl等提出了 “量衰减系数”的概念，论证了不一致性对电池组容量的影响。单毅闾通过对不一致性的 研究，对电池分选和容量衰减预测提出了建议。现在动力锂离子电池寿命的研究大致 可分为以下四个方面:电池测试标准和测试手册、电极材料的衰退机理、电池容量衰 退建模、电池寿命状态评估。1.3选题目的和意义近年来，锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、 移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用， 预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储 能方面得到应用。随着能源的紧缺和世界的环保方面的压力。锂电现在被广泛应用 于电动车行

15、业，特别是磷酸铁锂材料电池的岀现，更推动了锂电池产业的发展和应用 ho|o但是由于生产工艺的制约，各单体锂电池之间必然存在不一致性。同时,在实际 中使用这种不一致性将逐渐拉大,因为单体锂电池的容量和电压均达不到用电设备 的需求，所以需要将多节单体锂电池串并联使用川。但是同一类型、同一型号、同 一规格的电池间在内阻、电压、容量等方面的参数值有着差别，即锂电池存在不一 致性，使得锂电池组在使用时，性能往往达不到单电池的原水平，使用寿命也大大 缩短，严重影响锂电池的应用。本课题的选题意义在于对锂电池不一致性的研究，改进以及完善电池管理系统， 从而降低锂电池的不一致性，最大限度发挥电池的性能以及延长锂

16、电池的使用寿命。1.4本课题主要设计内容与要求本课题的主要目的是在制造和使用过程中寻找锂电池不一致性的形成原因，以提 高电池组使用寿命和性能。故本课题的核心就在于分析锂电池温度、容量、内阻和自 放电率这儿项参数对电池组的影响。设计内容如下：1、在进行设计前，需要收集资料，了解锂电池的发展和研究的现状以及选题的 意义所在；2、查看资料，了解不一致性的形成原因，以便完善方案；3、整理并阅读相关资料，分析锂电池不一致性的影响因素；4、查阅资料，分析锂电池的数学模型，并选择合适的方案；5、在实骑室蓄电池bmts检测与维护平台上进行测量同种型号多个锂电池的各 个参数，进行比较分析锂电池的不一致性；6、在

17、matlab中构建pngv和rint模型，通过改变相应的参数得到仿真数据, 来研究分析锂电池的不一致性；7、针对锂电池不一致性的现状，提出相应的解决措施。设计要求如下：1、根据导师指导进行国内外研究现状调研，文献查阅60篇；2、针对课题蓄电池对象和应用环境，与导师交流后构建单体不一致性综合评价 思路；3、建模并仿真分析所构建模型，进行优化改进；4、在实验室蓄电池bmts检测与维护平台上实验验证该方法；5、撰写毕业设计论文（达到学校和学院规定的要求）。第2章锂电池不一致性分析2.1锂电池不一致性形成原因分析锂电池不一致性产牛的原因【有两方面：1、锂离子动力电池的制造过程包括配 料、装配、涂膜、和

18、化成等步骤，在每个环节中都可能会由于材质的不均匀和工艺问 题等原因，使微孔率、电池极板厚度、活性物质的活化程度等有着微小差别,电池材 质和内部结构的不完全一致性，就会使得同一批次出厂的同一型号锂电池的内阻、容 量等参数值不可能完全一致;2、在使用时，由于电池组中各个锂电池的温度、点解液 密度、通风条件和自放电程度等差别的影响，在一定程度上加大了锂电池电压、容量 和内阻等参数的不一致。2.2锂电池组不一致性对使用寿命的影响电池进行的一次充放电过程称为一个循环周期。电池的使用寿命多以循环次数或 循环周期数表示，是指在一定的工作条件下，当电池标称容量下降到某一规定值（国 标规定为额定值的80%）时，

19、电池所运行的充放电循环总次数；在每一次循环中， 电池内部化学活性物质都会发牛一次可逆化学反应，随着循环次数的增加，从化学角 度考虑主要是因为电极活性物质腐蚀导致离了活性降低，在充放电过程中电极活性物 质表面积减少，极化增大，电池内部短路，隔膜损坏等，降低了电池的可用容量。锂离子电池的寿命分为使用寿命、循环寿命以及储存寿命三种冋。1、循环寿命是指电池在进行充放电循环时，额定容量下降到某一规定值时的循环 总次数。2、使用寿命是指电池在进行充放电循环时，额定容量下降到某一规定值时累积放 电时间。3、存储寿命是指电池在不工作的条件下，额定容量下降到某一规定值时的储存的 时间。锂电池使用寿命的定义是:一

20、定的充放电倍率下锂电池容量衰减为额定容量的某 个百分比时，充放电循环的次数。照此定义，根据参考实际锂电池使用寿命的测 试数据和曲线，可以假设锂电池每次充放电容量衰减呈现常线性，经过n次循环后, 锂电池的容量可表达为：(2-1)式中：c。为电池初始容量；p为锂电池到达使用寿命后容量衰减的百分比； n为电池的使用寿命；cn为经过n次循环后电池的实际容量。由于不一致性在锂电池组中是客观存在，在锂电池组中部分单体锂电池容量较 小、内阻较大，在正常充放电的情况下，这些锂电池充放电的深度相对较大，因此常 常出现过充和过放的现象，这部分锂电池将加快整个锂电池组的容量衰减。所以定义 锂电池组的容量衰减系数，即

21、使用第i次时，受损伤的锂电池容量可表示为：（2-2）其中，osfzscjsi式中：（ac,.）为第i次使用时锂电池过充或过放容量损伤系数，是ag的函数; 为第i-1次相对第i-2次使用的容量差；g为循环使用到第i次时锂电池的容量 值。由公式（2-2）可以推论得到：fi.2（c,2-c,3）x.xf,（c1-c0） co（2-3）令f （ac）二nwcffjgj.cj fi.2（g_2ce，fkg-c。）,则在不一致影响下锂电池组第i次使用时，理想的锂电池组容量为：cs =fj（ac）c0（2-4）综合考虑锂电池第n次使用理论容量的公式以及不一致性影响下锂电池容量衰 减的公式，可以得到锂电池第n

22、次使用后实际容量的表达式为：(2-5)cn=fn(ac)l-c0由式（25）可知:锂电池组的使用寿命永远小于寿命最短的单体锂电池的使用寿 命，锂电池的不一致性是影响锂电池组使用寿命关键的因素。2.3单体电池对锂电池组一致性的影响要提高锂电池组的一致性，单体锂电池之间的一致性是首先要保证的。单体锂电 池的一致性主要表现在电压的一致性、内阻的一致性、容量的一致性以及自放电的一 致性同。2.3.1容量的一致性容量的一致性对锂电池组的影响有以下3个方面：1、在相同的使用条件下，如果容量不同，电池的放电深度也会不同。其中，容 量高的锂电池述处在浅放电的状态下，而容量低的锂电池已经进入深放电阶段；等到 容

23、量高的锂电池进入深放电时，容量低的锂电池己经没有电量放出，变成为电路中的 负载。2、同一种锂电池都有最佳的放电倍率，如果容量不同，那么放电电流也会不同, 即部分锂电池达不到或者超过最佳的放电电流。3、在充电过程中，容量小的锂电池将提前充满，如果继续充电将会导致锂电池 过充，出现安全隐患。基于以上的3个原因，低容量锂电池在充放电过程中进入反复的过充放的恶性循 环而提前损坏，并且加速锂电池的衰减，影响整个锂电池组的使用寿命和性能发挥。 2.3.2电压的一致性电压的一致性主要影响并联锂电池组中电池的相互充电，当一节锂电池电压过低 时，并联中其它的锂电池将给此电池充电，但是由于锂电池各种参数差界的客观

24、存在, 锂电池组中所有电池都永远不会达到理论上的一致。因此这不仅使锂电池的性能急剧 衰减，还极大的损耗了整个锂电池组的能量。2.3.3内阻的一致性对于串联锂电池组，在放电过程中，串联锂电池组中的电流大小相同，内阻大的 电池，电压升高，能量损耗变大，产生的热量变多。热量多，锂电池的温 度升高，使得内阻进一步变大，锂电池又将会进入恶性循环。如果产生的热量没有及 时散出，部分锂电池可能会发生热失控，进而使得整个锂电池组存在着安全隐患；对 于并联锂电池组，如果内阻不同，分配到每个锂电池上的充电电流就会不同。充电电 流大的锂电池，它的电压上升加快。所以为了消除安全隐患，不得不在多数锂电池述 未充满的况态

25、下停止充电，使得系统实际的总能量严重低于系统的设计值。2.3.4自放电的一致性自放电的一致性的主要影响表现在，随着锂电池组不与外部电路连接的时间延 长，自放电大的锂电池，容量损耗较大，电压大幅下降，增大了锂电池组中电池的不 一致性，由此将会促进岀现容量不一致、内阻不一致和电压不一致的现象发生。而且 述可能出现过放，存在安全隐患。图2影响锂电池一致性的内外部因素以及耦合关系影响单体锂电池一致性的因素很多，贯穿于整个锂电池的设计、制造、储存和使 用等各个环节。总结起来主要有以下的几个方面：1、原材料的差异。锂电池所用的原材料和辅助材料有几十种，每种材料都存在 着不一致的情况，叠加在一起导致锂电池原

26、材料有着巨大的不一致性。2、生产过程中产生的差异。锂电池从原材料到成品，需要经过几十道甚至几百 道工序，前后花费的时间为15至20天左右，在这个过程中，会有着很多变异条件 和因素，这也将导致锂电池的不一致。3、生产设备的差异。生产设备本身就有着一些不稳定，因此在锂电池的制造过 程中，也会因为设备导致较大的不一致现象发生。2.4连接方式' 结构件和器件对锂电池组一致性的影响对丁大规模储能系统，为了满足输出功率和能量，大量的单体锂电池通过串联或 并联的连接方式使用，因此锂电池之间需要大量的连接电路和控制元件等。每个连接 点消耗的能量不一致，每个元器件或结构件的性能、老化速率等也都不一致，所

27、以对 电池的影响也不一致，导致整个储能系统的不一致同。2.5使用工况及环境对锂电池组一致性的影响根据锂电池的组装设计以及使用的环境，在锂电池组中，各个单体锂电池所处环 境必然存在差异。比如在方形的锂电池组中，中间与四周的锂电池所处的温度环境和 受力情况等都不相同。主要的因素是温度差，如果不采用热管理和主动热均衡，中间 的锂电池会比四周的锂电池温度高许多，锂电池的老化速度、充放电倍率等特性已经 发生了根本性的变化，将导致锂电池的衰减速度差异增大，加快了锂电池寿命的终止。第3章数学模型的选择3.1数学模型锂电池模型可分为等效电路模型、神经网络模型和电化学模型等。其中，等效电 路模型有rint模型、

28、thevenin模型、rc模型、pngv模型等岡。3.1.1 rint 模型rint模型是由美国的爱达荷国家实验室设计，将锂电池等效为理想的电压源u”，即锂电池的开路电压，与锂电池内阻值r形成的串联，开路电压是soc的函数,电路结构如图3-1所示：va/z-quocuo图3-1 rint模型电路结构3.1.2 thevenin 模型thevenin模型考虑了锂电池特性与电容相似的特点，该模型中理想电压源入描 述锂电池的开路电压，利用一个串联电阻和rc并联网络来预测锂电池在某一个soc值下对瞬时负载的响应。电阻他为锂电池内阻，电容cp和电阻心并联描述锂电池 的超电势，/p为流经电阻人的电流。电路

29、结构如图32所示：wvrjpip 0图3-2 thevenin模型电路结构3.1.3 rc 模型rc模型是由著名的电池生产商saft公司设计的,模型由2个电容和3个电阻构成，其中大电容g描述电池的容量，小电容q描述电池电极的表面效应，电阻他为 端电阻，电阻他为终止电阻，电阻心为容性电阻，模型中电池的负极定义为零点势 点。电路结构如图33所示；图33rc模型电路结构3.1.4 pngv 模型pngv模型是2001年pngv电池试验手册冋中标准的电池模型，也作为2003 年freedomcar电池试验手册中标准的电池模型。该模型中口“为理想电压源， 表示锂电池的开路电压，电阻他为锂电池内阻；心是锂

30、电池的极化内阻；q为心旁 边的并联电容；人为极化电阻上的电流；电容q描述随着负载电流时间的累计而出 现的开路电压的变化。电路结构如图34所示：. o工br-j u ocro j+uc_d -rp r up图34 pngv模型电路结构3.2模型分析根据分析的要求和综合平衡模型的复杂程度和准确程度等，来选择合适的模型。 当研究锂屯池屯压和内阻不一致而出现的状况时，其侧重点并不在锂电池的瞬态特性 上，复杂的单体模型反而会导致离电池组模型更加复杂，所以选用rint模型。当研 究锂屯池容量不一致而出现的状况时，重点在反应电池的动态特性，能随时展示出电 池荷屯状态和输出屯压的变化，所以选用pngv模型。3

31、.2.1单体模型在以往的许多rint模型应用屮，都是假设锂电池内阻和工作电流大小没有关系, 由此将会导致该模型只在比较小的工作电流下时，才能保证仿真精度度。本论文对 rint模型进行了改进，假定电流和内阻间存在着线性关系阴。模型的数学公式如下 所示：u = uoc-ir(3-1)式中：7?为电池内阻；/为放电电流，一般放电时/ >0 ,充电时/ <0 ； e为开路 电压；u为工作电压。3.2.2串联和并联樓型串联和并联是锂电池成组中常见的连接方式，串联可以提高锂电池组的电压，并 联可以提高锂电池组的容量。本论文中串联或者并联由两块锂电池组成。电路的工作 电压为u,工作电流为人两个单

32、体锂电池的开路电压、工作电压、放电电流、内阻 分别为e、,uj,r和色,/,厶，人2。锂电池单体自身的参数满足式所表示的关系。在串联电路中，锂电池单体和电池电路z间的关系如式(3-2)和(3-3)所示， 可已看出，当电路的初始状态和工作电流不变时，锂电池模块和各单体锂电池的状态 就确定了。5+4 =u(3-2)ix=i2 =1(3-3)在并联电路中，锂电池单体和电池模块间的关系如式(3-4)和(3-5)所示。式 (3-6)表明，当电路的工作电流不变时，锂电池各个单体z间的电流分配受到多种 因素的影响，包括电路内所有锂电池的开路电压、内阻和工作电流等岡。式(3-7) 中，并联电路下的电流由两部分

33、组成，其屮一部分是等式右边第一项，表示的是由开 路电差异而形成的电流，而另一部分是等式右边第二项，表示的是根据内阻分配的工 作电流。(3-4)(3-5)(3-6)(3-7)/1 =u2=u人+厶"e_e? | 心+ 7?2 r + r-)e2 - e、a +7?2第4章实验分析4.1容量不一致根据短板效应，串联电池组的最大可用容量的最大值就是整组电池中容量最小电 池的最大可用容量，该电池的容量利用率就代表着整组电池的容量利用情况当最大可 用容量最小的电池没有达到满充电或满放电的状态时，电池组的可用容量就没有达到 最大值，部分容量由于一致性问题没有得到充分的发挥岡。4.1.1锂电池充放

34、电前后可用容量表1为4节20ah镭酸锂电池50次恒流充放电循环前后容量的变化，可见即使 电池组初始一致性较好，经过多次充放电循环后，单体电池间也会呈现一定的差异性, 并且这种差异性呈不断增大的趋势。表41锂电池充放电循环前后可用容量对比循环前容量/ah循环后容量/ah容量衰减率电池120.519.83.4%电池220.219.72.3%电池319.919.14.0%电池420.01&38.5%4.1.2放电倍率对电池容量的影响试验描述：搁置至室温(取25°c),电池初始s00100%,分别以c/3、c/2、 c/1、1.5c、2c、3c等放电，搁置30分钟后，再以c/3补充放

35、电至最低截止电压, 以保证每次放电准备开始时的电池soc=0。试验终止判据：单体电压降至最低截止电压3v或电池温度升高至60°co表42猛酸锂电池不同倍率的可用容量放电倍率(c)放电电流(a)可用容量(ah)1/31819.691/22719.1815518.77211018.43422017.58分析上面的数据可以得到如下结论：电池随着放电倍率的增加，其可用容量越少。分析原因，根据电池极化理论，随着放电电流的增大，电池内部电化学极化和浓差极 化现象越来越严重，电池不能充分完成放电过程而达到放电截止电压而结束，其表现 为可用容量的降低。4.1.3温度对电池容量的影响试验描述：在室温2

36、5°c以c/3充电至soc=100%,放入恒温箱搁置至设定温度4 小时以上，以c/3放电至截止电压3v。表43猛酸锂电池不同放电温度的可用容量放电温度（°c）20 °c10°c0°c10°c20 °c30°c可用容量（ah）16.4217.9518.5719.3619.6919.77分析数据得到如下结论：电池低温环境下（0°c及以下），可用容量明显下降， 应避免在低温环境下长期工作，以保护动力电池。分析其原因是，在低温环境下，放 电过程中电池内部极化现象越来越严重，直流内阻增大，电池端电压下降较快，放电

37、电压平台也会有相应降低，从而低温时电池的可用容量明显下降。4.2自放电率不一致锂离子电池的自放电是指锂离子电池在开路搁置过程中电压下降、容量衰减的现 象，常以自放电率和k值来表征自放电进行的快剛。ac"cks(4.1)at其中表示自放电率，k表示开路电压相对时间的变化率，单位mv/d, ac表 示两次测量的容量差值，c表示标称容量，aocv表示两次测量的开路电压差值，单图4-1锂电池在两个月的自放电情况根据苏州容德电源有限公司测试的50个锂离子电池在两个刀的自放电情况因如 图4j所示。从图中可以看出有些电池自放电比较大。因为锂离子电池的正负极材料、 以及内部的电解液成分和电池隔膜厚度

38、等因素都会影响到锂离子电池的自放电率，并 且这种自放电率还与储存环境的温度和湿度有关。一般来说，周围环境温度和湿度越 大，电池的自放电率也越大。在同一批电池中的某节电池因某些原因而导致自放电率 较大。放置一段时间后，这个单体电池的可用容量将会比同组的其它电池容量耍低， 就会导致整组电池的可用容量降低。放置的时间越长，整组电池的可用容量越低至有 可能出现某些电池过放电，影响电池性能。4.3内阻不一致电池内阻是电池在发生化学反应时，电子做定向运动时受到的阻力创。电池的欧 姆内阻主要包括四部分：电极材料的电阻，电解液电阻，隔膜电阻以及电解液与电极 之间的连接内阻。电极材料的内阻和电解液与电极之间的连

39、接内阻在一次放电周期中 的变化非常小，因此可以认为是不变的定值。当电池老化时，电极材料中的晶体会逐 渐发生变化，导致电极内部结构变形，使材料的内阻变大；电解液与电极之间的接触 面积变小，导致连接内阻变大関。4.3.1新旧锂电池的内阻用电池内阻测试仪分别测量新旧电池组的内阻，如图42所示。图42新旧锂电池的内阻从图42可以看出，新电池的内阻较小，且值lmq到2mq之间徘徊。如果对大 量新出厂的电池进行内阻测量并分析可知，其阻值呈止态分布。然而，随着电池的使 用次数的增加，电池的内阻将呈不同程度变化。旧电池内阻较新电池的内阻增大许多,并且离散化严重。在电池组装车使用过程中发生内阻变化的原因是：放电

40、循环过程中 电化学反应界面阻抗的增加及电解液浓度的减低或消耗。4.3.2锂电池soc与内阻的关系对电池在不同soc下的内阻测量实验步骤如下：1、在常温下,对电池充满电，使电池的soc为100%o2、以1c电流将电池放电至soc为90%,搁置5分钟。3、继续放也soc每变化10%,搁置5分钟，直到soc=oo4、以1c的电流对电池充电至soc为10%,搁置5分钟。5、继续充电,soc每变化10%,搁置5分钟，直到soc为100%,实验结束。表44不同soc下电池充放电内阻的测量值soc充电内阻放电内阻soc充电内阻放电内阻(%)(mil)(mfi)(%)(m£2)(mq)09.29.1

41、605.44.7107.47.4705.64.7206.56.5805.64.7305.65.7905.64.6405.64.71005.54.7505.54.7通过表5,我们可以看出当电池充电的时候，内阻随着soc增长而减小，当电 池放屯的时候，内阻也是随着soc增长而减小。但可以出，充电时的内阻整体上大 于放电时的内阻，随着soc的增长，差距越来越人。(os)s0c (%)图43不同soc下电池充放电内阻在常温下，soc和同时，锂离子电池的充电内阻大于放电内阻。锂离子电池的 充放电内阻在soc为40%到80%的时候基本不变，在soc接近20%时内阻会有较 大的变化。4.4电压不一致在分析电

42、池开路电压前,需要引入变量荷电状(state of charge, soc)。美国 先进电池联合会(usabc)在电动汽车电池实验手册中将电池的soc定义为剩余 容量与实际容量的百分比,当电池放完电时,soc=0%,当电池充满电时soc= 100%1251 o 锂离子电池开路电压«)cv是电池正、负极材料分别对锂电池电位的差值，即 vocv = vcalhode_li-vanode_li,而正、负极材料随着电池充放电过程会发生变化。即 cathodc-ai 和knode-/.i会随电池soc而变化，即电池开路电压是电池荷电状态(soc)的函数凶。 soc-ocv曲线是指对电池进行恒流

43、满充满放试验时，得到的电池的开路电压(ocv)和 荷电状态(soc)之间的特定的关系。电池的soc-ocv测试机制如下：1、将电池以1c的倍率恒流充电,soc每间隔10%,静置5分钟，测得电池的开路电压;2、重复进行第1步充电，直至电池的s0c=l；3、将电池以一定倍率恒流放电,soc每间隔10%,静置5分钟，测开路电压;4、重复进行第3步放电，直至电池的soc=oo5、取充电和放电时相同soc下电压的平均值。图44镭酸锂电池图44为猛酸锂电池的soc-ocv曲线,其开路电压在soc中间区段波动非常小,而在soc两端,特别是soc低端时,ocv随soc变化幅值较大。两块锂电池的电压 在随soc

44、变化时，ocv有些许不同。第5章模型仿真5.1 pngv模型仿真分析pngv模型是pngv电池试验手册岡提出的电池性能模型，等效电路图如图 3.4所示。下面选取20ah/3.7v猛酸锂单体电池（厶）为研究对象，展示电池的 pngv等效电路模型及建模过程。5.1.1参数获取通过freedomcar电池试验手册中的hppc试验获得试验数据，在经过数据 处理得到电池参数，再根据参数建立pngv等效电路模型。表51 pngv模型电路参数，20°csoccp/fuoc/v7?0/mq7?p/mqcjf0.193.352.9811.130.4378.80.2111.713.1161.140.34

45、381.80.399.783.1671.150.32384.80.4116.783.2011.120.27385.70.5122.813.2381.060.263860.6142.963.2661.110.23386.90.71373.2980.970.24389.40.8149.623.3360.950.21390.40.9116.433.3640.990.3390.65.1.2模型建立根据pngv电池模型电路图（图3-4）,可以写出端电压u与负载电流i的关 系如式（51）。式屮的u°c、g、r。、心是待辨识的参数。dtip为极化电阻上的电流，初始条件为0;(5-2)r为极化吋间常

46、数，代表电压对阶跃电流瞬态响应的吋间常数。“ cprp(5-3)基于上述参数，根据上述公式即可建立pngv电池模型，模型包含soc计算、参数查表和电压计算三个模块。5.1.2.1 soc计算模块soc计算采用安时积分法，公式为(5-4),其中soc。为初始时刻soc, cn为电池的额定容量。由于电池的循环次数很少，因而将电池老化修正因数设为1。fidtsoc = soc°-十一(5-4)建立模型如图51,输入为电流，输出为soc。cn图5-1 soc计算模块从图52中可以看出，因为输入的电流为常数，所以输出的soc曲线为一条肓线。soc从初始状态的1开始一直降到0,所经历的时基本上为

47、1200so从图53中可以看岀，因为输入的电流为常数，所以输出的soc曲线为一条直 线。soc从初始状态的1开始一直降到0,所经历的时基本上为900so当输入电流为恒定60a,额定容量为25ah时输岀的soc曲线如下：图5-4容量为25ah的soc曲线图从图54中可以看出，soc在t=0s时为1,在t=1500s时为0, soc随着时间t 增长按比例逐渐减小。通过对前面三张不同额定容量下的输出soc曲线图的分析，我们可以清晰的知 道，三张图的soc=0时的时间不同。当两块容量不一致的锂电池成组使用时，容量 较小的锂电池将会出现过充和过放的现象。后果较轻的时候，只是影响锂电池的使用 寿命，严重的

48、时候将会出现安全事故。5.1.2.2参数查表模块和电压计算模块参数查表模块输入soc,并通过查表获得各个参数。需要指出的是，pngv电 池模型的各项参数除了与soc相关外，还与温度相关，但在本文的仿真中假设电池 温度不变，并且等于室温，因此模型参数仅与soc有关，参数查表模型如下图所示。 电压计算模块输入当前soc状态下公式（51）的各项参数，进行运算并得到输出电 压。参数查表模块和电压计算模块分别如图5-5和图5-6所示。图5-5参数査表模块图5-6电压计算模块5.1.2.3电池整体模型把soc计算、参数查表和电压计算三个模块进行组合，最后得到的电池模型如 图57所示。电池模型首先通过输入电

49、流和额定容量得到电池的剩余的荷电状态，根据所剩值 的大小，参数查表中输出不同的uoc、ro、cb、cp、rp的参数进入电压计算模块， 最终输击端电压。下图是额定容量为20ah时，端电压的输出曲线。图5-8容量为20ah的输出电压从图58可以看出，端电压随着时间逐渐减小，开始时端电压为3.33v,到1200s时端电压为2.82v停止输出。下图是额定容量为15ah时，端电压的输出曲线。图5-9容量为15ah的输出电压从图59可以看出，端电压随着时间逐渐减小，开始时端电压为3.33v,到900s 时端屯压为2.84v停止输出。下图是额定容量为25ah时，端电压的输出曲线。图510容量为25ah的输出

50、电压从图5-10可以看出，端电压随着时间逐渐减小，开始时端电压为3.33v,到1500s 时端电压为2.8 iv停止输出。通过对前面三张不同额定容量下的输出端电压曲线图的分析，我们可以清晰的 知道，三张图的端电压最后停止输岀的时间不同，端电压大小也有些许差异。当两块容量不一致的锂电池成组使用时，容量较小的锂电池端电压截止输出时间较短，将会 出现过充和过放的现象。影响锂电池的使用寿命，以及出现安全事故。5.2 rint模型仿真分析rint模型只能模拟岀锂电池的电压和内阻，所以先只分析电压和内阻的不一致性 对锂电池组的影响。此次仿真所用的电池参数为平时常用的镭酸锂电池，电压为3.7v, 内阻为0.

51、0013q。根据u = u()c-ir得到以下单体电池模型：uoc图5-11单体电池模型下图为输入不稳定电流，300s内电流的变化情况:80100050100150200250300放电时间/s图5-12电流变化情况o6o8402<、丄集爭母质从图512中，我们可以清晰地看出电流在3oos内的变化情况，在o5os时，电 流一直为18oa;在50-100s时，电流一直为80a；在100-150s时，电流一肓为140a； 在150200s时，电流一肓为90a；在200-250s时，电流一直为170a；在25o-3oos 时，电流一直为120a。当输入不稳定电流，输出的电压图形如下：从图513

52、中可以看出，屯压随着屯流的变大而减小，屯池的内阻就是其中的关 键因素。当一块电池的内阻过大的吋候，会严重影响端电压输出大小的范围，有可能 出现电压过低而器件不能运行的可能。5.2.1串联锂电池组图514串联电池模型当单体电池的电压不足时，就需要两块电池进行串联使用。通过公式u = (&+&)得到图514所示的串联屯池模型，其中 %、尺和爲都是常数, 输入电流/为不稳定电流，输出为端电压u。当7?1=7?2 =0.0013q时：从图515中可以看出，两块电池串联，当电流达到最大值180a时，电压有一个最小值约为6.93v,电流为最小值80a时，电压有一个最大值约为7.19vo当两

53、块电池的内阻不同时，即/?, = 0.0013q,/?2 =0.0016q时：从图516中可以看出，当电流达到最大值180a时，电压有一个最小值约为 6.88v,电流为最小值80a时，电压有一个最大值约为7.17vo通过对两张图的比较可以知道，当两块内阻不同的电池串联，端电压会有些许变 化，内阻大的电池，电压会减小，能量损耗变大，产牛的热量变多，温度会急剧上升, 很容易发牛安全事故。5.2.2并联锂电池组当单体电池的容量不足的时候，两块电池就需要进行并联使用。通过公式 u = uoc uocjr _/可得端电压的输出图形，其中/? + r"r + r-yuoc、uocp &、

54、7?2为常数，电流依然为输入变量。下图为并联锂电池模型：图5j7并联电池模型从图518中，我们可以看出端电压的最大输出值为3.648v,最小输出值为3.583v,这就是两块电池的输出范围。从图5-19中，我们可以看出端电压的最大输出值为3.798v,最小输出值为3.732vo uoc1低于端电压的输出值，uoc2会向uoc1充电。当两块电池的电压不一致，即uoc = 3w、uoc2 = 3.5v时：图5-20 uoc1大电压输出图形从图5-20中，我们可以看出端电压的最大输出值为3.548v,最小输出值为 3.483v。uoc2低于端电压的输出值，uoc1会向uoc2充电。通过以上三张电压输出图，我们可以知道当电池电压不一致时，电压高的电池会 向电压低的充电，浪费电池的能量。而且通过公式（3-6）可知，电压低的电池通过 的电流较小，电压高的电流较大。电流大，温度会逐渐升高，可能会产生安全事故。 5.3提高电池一致性的举措提高电池组的一致性对锂电池储能系统的性能发挥、使用寿命、经济效应、安全 性等都有举足轻重的作用。将从生产过程、分选制度、模块、电池均衡管理、电池热 管理、控制策略、其他使用过程等方面提出改善电池组一致性的措施，避免电池不一 致性的扩大，以保证电池组