电动汽车用铅酸电池的一致性与SOH预测

王丽平,燕 红

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)



电动汽车用铅酸电池的一致性与SOH预测

王丽平,燕 红

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052)

在低碳经济的大背景下，发展纯电动汽车已是大势所趋。电动汽车用电池的一致性问题和SOH预测问题一直是电动汽车技术研究和大规模产业化急需解决的难点之一。以电动汽车用“超威”铅酸蓄电池为例，介绍了电动汽车铅酸电池的SOH及行驶过程中蓄电池的一致性问题，并用电压的一致性对电池的一致性进行评价，进而对电池的健康状态进行一致性修正。

铅酸电池；一致性；SOH

目前，电池健康状态——SOH的预测方法大都没有考虑电池组内电池单体不一致性的影响，而实际上，电池的一致性好坏会直接影响电池的使用寿命。对电池组的一致性进行研究，并对其健康状态进行预测，可以有效防止蓄电池过充过放，为蓄电池的更换提供可靠依据，降低电池组更换成本，保障电动汽车电源系统的安全和稳定。下面基于SD-EV2上安装的“超威”铅酸电池，介绍电池健康状态的定义及电池组的一致性对健康状态的影响，然后用一致性对电池组的SOH进行修正，并对未来铅酸电池健康状态模型的研究方向进行展望。

1 电池SOH概述

SOH(State of Health)指电池的健康状态，与人的寿命意义类似，是对电池不可逆变化量的估计，是对电池寿命的一种反应，可以理解为电池的循环使用次数。随着电池循环次数的增加，电池老化，电池输出功率减少，容量衰退，内阻增加。电池的健康状态实际表现为电池内部某些参数(如容量、内阻等)的变化，故SOH通常被定义为在一定使用工况下电池可放出的最大容量与额定容量之比，也可以用电池的测量内阻与标称内阻和电池失效内阻的差的比值来表示。

采用容量保持率来定义电池的SOH，

(1)

式中,QH为电池测试的最大容量，QS为电池的额定容量。

SOH的测定可以通过将一块处于满电状态的电池放电至截止电压来完成。图1是超威铅酸动力电池在常温下以0.3C充放电时的寿命曲线。

图1 铅酸电池的循环寿命曲线

作为一个复杂的电化学系统，铅酸蓄电池健康状态的影响因素有很多，如蓄电池内阻、自放电特性、电解液浓度、电解液离子导电性、环境温度等。在纯电动汽车使用过程中经常考虑到的电池寿命有放电深度、放电电流、温度及充电等4个加速因子。目前，电池健康状态的预测方法大都没有考虑电池组内电池单体不一致性的影响，而实际上，电池的一致性好坏会直接影响电池的使用寿命。

2 电池组的一致性问题

一致性问题是电动汽车电池系统设计中的关键问题之一。由于电池的原材料、零部件及制作工艺等的差别，同一规格型号的蓄电池在成组后的使用过程中，其内部各单体电池的电压、容量、内阻和自放电率等参数随时间变化会存在一定的差别，这种问题被称为蓄电池的一致性问题。在电动汽车应用中，电池系统由几十只甚至数百只电池单体组成，单体之间不可避免的会存在差异，这种差异会对电池性能产生影响。汽车在行驶过程中启停频繁而且工况复杂，电动汽车动力电池经常因为电池组内单体电池间不一致性的影响而引起过充过放，最终导致电池容量大大衰减而过早失效，从而会对电池的SOH产生很大的影响。

一致性对电动汽车的影响表现在以下几个方面：一是减少蓄电池组的正常使用寿命。比如，一般单体铅酸蓄电池的循环寿命为800～1 000次，但成组后其寿命只有400～600次。二是对电池组SOC(荷电状态)、SOH的判断有影响。三是单体间较大的差异会引起个别单体的过充、过放，甚至还会引发安全问题。所以对电池组中单体电池的一致性进行研究非常重要。电池组的一致性一般用单体容量和内阻的一致性来表征。而在实际应用中，电池的实际容量和内阻很难进行直接准确的测试。SD-EV2上采用的是串联而成的电池组，可以采用电压和内阻的一致性来表征电池的一致性，再加上电池端电压易采集，所以选择用电压的一致性来表征电池的一致性。

在成组的电池系统中，单体电池之间的不一致性是绝对存在的，如何对电池的一致性进行评价，是电池系统应用中的重要课题。SD-EV2采用的电池组由6节型号为6-DM-150的超威牌铅酸蓄电池串联而成。由于汽车在行驶过程中启停频繁且工况复杂，在长期使用过程中，电池刚出厂时工艺上的微小差别带来的影响就会逐步积累加剧，其表现形式就是各单体电池不一致性逐步加剧，从而导致动力电池组的循环性能衰减或失效。因此，对电池组的单体电池进行一致性评价对电池的寿命预测有很重要的现实意义。

通常采用数理统计的方法对电池的一致性进行评价。由图2可看出，在以1/3C恒流放电过程中，电池组在5%～100%SOC之间的电压变化均较平稳，电池电压的一致性显示的比较好。但是，在此范围内即使电压仅仅相差几十毫伏，电池的荷电量也会相差10%以上。而当SOC太高或太低时，如低于5%，电池的端电压变化比较大，然而容量差别仍不足2%。通常认为对同一单体电池进行连续2次的容量测试，容量差别若在2%以内则表示电池容量测试无差别。由于荷电状态SOC和健康状态SOH是相互影响的，故为了测定电池的健康状态SOH，必须知道实际的SOC或者必须在相同的SOC下测量SOH。放电末期，电池端电压变化的拐点在5%SOC左右，此时单体电池端电压值约为10.8V。因此，选择在5%SOC或单体电压为10.8V拐点处用数理统计的方法对电压的一致性进行评价。

图2 恒流放电时电池端电压与SOC关系图

3 SOH的一致性修正

按照QC/T742—2006标准循环寿命测试方法，对6-DM-150的超威电池进行循环耐久能力试验测试。整个试验在20±5℃的环境中进行，测试过程如下：

步骤一：蓄电池的完全充电。蓄电池以1/6C的电流充电到14.4V单体后，再继续以1/12C电流充电，在充电末期连续3h内蓄电池电压变化不大于0.05V/h，此时确认蓄电池已完全充电。

步骤二：蓄电池完全充电后，以0.5C的电流放电1.6h，然后再对电池进行完全充电，如此组成1次循环。

步骤三：连续进行上述循环，每到第49次放充循环后，第50次按1/3C充放电来进行放电容量检查，以后每50次进行1次放电容量检查。

步骤四：重复步骤二、三，当检查得到的放电容量低于额定值80%时，认为蓄电池寿命终止。

随着循环次数的增加，记录下电池组中的1—4号电池在放电结束时的端电压值。图3为电池循环使用0～50次时每次放电结束时单体电池的端电压值变化情况。由此可见，成组电池在实际运行前期，其内各单体电压一致性较好，但随着循环次数的增加，各单体端电压的差异出现逐渐增大的情况，这种差异性对电池循环寿命影响很大，故需要对SOH预测值进行修正。

图3 放电结束时电池端电压的变化

SOH预测的目的是根据电池的当前状况来判断其健康状况。目前，电池的SOH预测方法大都没有考虑电池组内电池单体不一致性的影响，而实际上，电池一致性的好坏会直接影响电池的使用寿命。所以，我们在对电动汽车用铅酸电池组一致性分析的基础上，对电池寿命进行一致性修正，包括以下步骤：

步骤一：用电池采集箱采集并记录单体电池的电压、电流和温度。在电动汽车行驶过程中，每5分钟检测1次。

步骤二：用卡尔曼滤波对电池的SOC进行估算，当SOC为0.05时记录单体电池的电压和电流。

(2)

式中，ki为电池单体分散加权系数。

步骤四：由于电池的电压差异并不能完全代表电池的容量差异，所以引入补偿系数ks。当SOC太高或太低时，ks就取较小值；SOC处于中间范围时，ks就取较大值。故得到电压不一致的计算公式如下：

ks=f(SOC);

(3)

ε=ks×δ。

(4)

图4为电池组中单体电池电压不一致性的标准差系数变化趋势。可见看出，在寿命的前期电池组单体电池的电压标准差系数和其变化量都比较小；但随着循环次数的增加，电池电压的标准差系数会迅速增大。

图4 电压不一致性的标准差系数变化趋势

在发展低碳经济和能源对外依存度超过50%的大背景下，发展纯电动汽车的时代已经到来。铅酸蓄电池在未来几十年内凭借其价格低、安全性高以及新技术不断完善的优点，依然是电动汽车的主力电池。我们考虑到电池组内单体电池的一致性程度对电池组循环寿命的影响很大，根据实际测车过程中电池组端电压的变化情况，提出了用电池端电压的一致性来表征电池的一致性，并且建立了电池一致性的评判公式，最后采用电压的标准差系数来修正电池的SOH。这样可以得到更准确的SOH预测结果，从而可有效防止电池组过充过放，降低电池组更换成本，保证电源系统稳定安全运行，有利于推动电动汽车的产业化发展。

[1]陈全世，朱家璉，田光宇．先进电动汽车技术[M]．北京：化学工业出版社，2007．

[2]廖晓军，何莉萍，钟志华,等．电池管理系统国内外现状及其未来发展趋势[J]．汽车工程，2006，28(10)：961-964．

[责任编辑：赵 伟]

Consistency and SOH Estimation of Lead-Acid Batteries for Evs

WANG Liping，YAN Hong

(Zhengzhou Railway Vocational and Technical College, Zhengzhou 450052,China)

Nowadays, Electric Vehicles (EV) development has become a trend, due to its superiorities on energy saving and environmental protection. Analysis of consistency and SOH of batteries has been the key technology of EV's research and mass production. This paper introduces the SOH of lead-acid batteries and the inconsistency of batteries in driving. In consideration of the fact that the inconsistency of cells has a great influence on SOH, the SOH results are corrected based on the inconsistency of cells.

lead-acid batteries; consistency; SOH

2015 - 09 - 01

王丽平(1987—)女，河南三门峡人，郑州铁路职业技术学院机电工程系助教。

U469.72

A

1008-6811(2016)03-0019-03