動力電池總成裝調平臺的單體電池均衡性測試 Single Battery Balance Test for Power Battery Assembly Installation Platform

金敏 JIN Min 郭淑清GUO Shu-qing

摘要： 鋰電池在生產和使用的過程中，會產生各單體電池荷電狀態（SOC）、電壓、內阻不一致的現象，長時間累積會導致電池組過早報廢。本文首先介紹了鋰電池主要技術參數，重點分析單體電池性能不一致的原因和表現形式，然后選取均衡性目標。利用動力電池總成裝調工作平臺（B-GY01+B-GZ02）對鋰電池單體電壓進行測試，分析各單體電池工作狀態。根據實驗數據對不符合要求的單體電池進行更換，從而保證動力電池均衡性，提高電動汽車的能量利用率。

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.

關鍵詞： 動力鋰電池;電池均衡性;測試;裝調平臺

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

中圖分類號：U472.43? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）22-0220-02

0? 引言

現在市場上的新能源汽車大多數是使用鋰電池作為動力電池。而鋰電池在出廠和使用過程中會導致參數不一致。而隨著電池的使用會導致這種不一致度持續增大，使單體電池性能衰減，導致鋰電池組過早報廢。本文以磷酸鐵鋰電池及其串聯電池組為對象，研究其單體電池工作的一致性。目前國內外對動力電池的研究大多集中在電池性能及單體電池連接件的研究，對單體電池均衡性的研究較少。李哲對磷酸鐵鋰電池的性能進行了研究。姜標、白沖等人對鋰電池充放電性能進行了研究。張貴萍等人對鋰離子電池成組技術及連接方法進行了介紹。雷明對電池模組連接件進行了優化設計。程燕兵提出一種基于單端反激電路雙層開關臂的鋰電池組雙向均衡方法。

電池組的不一致性會造成電池組的容量損失，內阻增大，電池溫度過高，縮短其使用壽命。本文利用動力電池總成裝調工作平臺（B-GY01+B-GZ02）對鋰電池單體進行均衡性測試，分析各單體電池工作狀態。根據實驗數據對不符合要求的單體電池進行更換，從而保證動力電池均衡性，提高電動汽車的能量利用率。

1? 鋰電池主要技術參數

鋰電池主要技術參數介紹，如表1所示。

2? 鋰電池組不一致性原因分析

鋰電池一致性是指同一批次出廠的同型號鋰電池，其電極特性、溫度變化、衰減速率、電氣連接等參數指標的一致性[11]。

2.1 鋰電池不一致性產生的原因? 鋰電池的不一致性是一個長期累積的過程，首先出廠時，就不能保證單體電池完全的一致性，之后在車上使用，由于每個單體電池工作環境有細微差別，這個不一致性會加劇，長時間累積后，會使電池的各項參數，如容量、電壓、電阻等指標有較大差異。

2.2 鋰電池不一致性的表現形式? 串聯電池組不一致主要體現在電池的剩余電量、工作電壓、歐姆內阻等主要參數上。

2.2.1 容量? 電池的實際容量C與初始容量C0、放電電流Ib的關系為：C=C0-Ib（t）dt（1）

出廠時初始容量會有微小差別，導致每個電池單體的放電電流的差異。使用一段時間后，組內各單體電池的容量差異逐步擴大，容量較小的單體電池每次都是滿充滿放，會導致其先于其他電池報廢。

2.2.2 內阻? 如果電池組串聯則電池內阻損耗的能量為：E=I2（t）rdt（2）

式中， r—電池內阻;I—充電電流;t—充電時間變量。

電池組串聯工作時，電流相等，內阻不等，會導致單體電池端電壓不一致，所以提高電池內阻的一致性也是很重要的。

2.2.3 電壓? 在鋰電池組充電過程中，如果單體電池電壓不一致，電壓高的單體電池會優先充滿電導致其他單體電池在未充滿電的情況下結束充電，從而降低了電池組的充電容量。在鋰電池組放電過程中，電壓低的單體電池會優先放完電，導致在其他單體電池在未放電完全的情況下結束放電，從而降低電池組的放電容量。長此以往，會縮短電池使用壽命。

2.3 電池均衡目標的選取? 鋰電池電量不一致在單體電池外部表現為電壓、內阻、荷電狀態（SOC）等多方面參數指標的不一致，這么多的參數就涉及到了均衡目標的選取問題。

2.3.1 以電池荷電狀態（SOC）為均衡目標? 電池荷電狀態（SOC），定義為電池使用一段時間電池可放出的電量與電池完全充滿電的電量的比值。公式如下：

SOC=QC/Qt（3）

式中，QC為電池的剩余容量;Qt為電池的滿狀態

容量。串聯電池組均衡的目的實際是保證各單體電池在多次充放電后的剩余電量仍然能夠保持在大致相同的一個范圍內。從目的上來講，電池荷電狀態（SOC）適合作為均衡目標。但是由于SOC精確測量極其困難，所以將SOC 選為均衡目標的實際意義不大[11]。

2.3.2 以電池電壓及內阻為均衡目標? 電池電壓和電池的荷電狀態呈正相的關系，大致可以描述出電池當前狀態，電池內阻需要保持一致性，阻值過大會影響充放電時間，將均衡目標選為電池端電壓和內阻的優勢為：電池組中各單體電池的精確電壓值及內阻值檢測精度高。另外鋰電池單體在構成串聯電池組時，選擇在出廠時初始差異較小的電池進行串聯，使電池端電壓基本可以代替SOC來反映當前電池的剩余電量。

綜上，SOC不適合作為均衡目標，將電壓作為均衡對象，內阻作為輔助參考更為合理。本文后續測試也是基于電壓和內阻作為均衡目標開展的。

3? 動力電池總成裝調工作平臺（B-GY01+B-GZ02）介紹

3.1 總述? 動力電池總成裝調工作平臺（B-GY01+B-GZ02）是針對純電動汽車開發的集系統裝調、數據采集、各系統測控功能設備。此設備主要用于純電動汽車動力電池系統裝調和測試。平臺主要由動力電池總成裝調工作平臺及附屬設備組成，包括點焊機、動力電池模組、繼電器、電流傳感器、車載充電機、交直流充電插座、及相關輔件組成。

3.2 動力電池組規格? 動力電池由24塊單體電池組成，分為4個模組，模組之間串聯連接。每個模組6塊單體電池，每個單體電池之間串聯連接。單體電池標稱電壓3.2V，正常范圍2.8V-3.6V。標準內阻0.8mΩ，正常范圍0.4mΩ-1.2mΩ，總電壓：76.8V。

4? 電池的安裝及測量

4.1 電池模組的安裝  本文采用的測試電池組是總電壓76.8V，標稱電壓為3.2V的24塊單體電池組成。每6塊單體電池串聯為一個電池模組，共4個電池模組，電池模組之間串聯。安裝過程如下：①安裝前先清潔單體電池、連接銅牌、電池模組等部件;②按照正確的電池正負極順序安裝4個電池模組;③安裝電池單體連接線束;④安裝電池模組固定螺栓;⑤確認電池模組正負極是否正確;⑥安裝電池模組之間連接銅排及相關低壓線束。

4.2 單體電池的測量? 本文用內阻測試儀測量單體電池的電壓和內阻。測量過程如下：①開機校零。如電壓值和電阻不為零，需進行短路清零，直到電壓值和電阻值都為零才可以測量。②兩根測量線，紅色夾住電池正極，黑色夾住電池負極。③待讀數穩定，按住HOLD鍵，讀數。④記錄各個單體電池的電壓和內阻數據。根據電壓和內阻的標準范圍：單體電池標稱電壓3.2V，正常范圍2.8V-3.6V。標準內阻0.8mΩ，正常范圍0.4mΩ-1.2mΩ。由此發現問題電池是17號電池，找到17號電池所在電池模組，將17號電池從該電池模組中拆下，更換在標準范圍內的單體電池。再次進行復檢，所有單體電池都在電壓、內阻標準范圍內，測量結束，從而達到保證單體電池均衡性的目的。在實車上的動力電池可以連接診斷儀，找到高壓蓄電池模塊，讀取相應數據，從而發現不一致的模組，將模組拆卸，便可用內阻測試儀找到該模組中不一致的單體電池。

5? 結論

本文首先對鋰電池主要技術參數進行介紹，然后分析了單體性能不一致的原因、表現形式，然后選取均衡性目標。最后利用動力電池總成裝調工作平臺（B-GY01+B-GZ02）對鋰電池單體進行均衡性測試，分析各單體電池工作狀態，利用實驗數據分析動力電池模組總電壓及各單體電池是否正常，并根據實驗數據對不符合要求的單體電池進行更換，從而保證動力電池均衡性，提高電動汽車的能量利用率。

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