动力电池组特性分析与均衡管理

2 动力电池组充放电特性

　　以单体电池为动力源如移动电话，电源管理技术已经十分完善，但在电池组中，单体之间的差异总是存在的，以容量为例，其差异性永不会趋于消失，而是逐步恶化的。组中流过同样电流，相对而言，容量大者总是处于小电流浅充浅放、趋于容量衰减缓慢、寿命延长，而容量小者总是处于大电流过充过放、趋于容量衰减加快、寿命缩短，两者之间性能参数差异越来越大，形成正反馈特性，小容量提前失效，组寿命缩短，在下文的充放电特性分析中就必须包含过充电和过放电过程。

　　2.1 充电

　　目前锂电池充电主要是限压限流法，初期恒流(CC)充电，电池接受能力最强，主要为吸热反应，但温度过低时，材料活性降低，可能提前进入恒流阶段，因此在北方冬天低温时，充电前把电池预热可以改善充电效果。随着充电过程不断进行，极化作用加强，温升加剧，伴随析气，电极过电位增高，电压上升，当荷电达到约 70~80%时，电压达到最高充电限制电压，转入恒压(CV)阶段。理论上并不存在客观的过充电压阈值，若理解为析气、升温就意味着过充，则在恒流阶段末期总是发生不同程度的过充，温升达到40~50摄氏度，壳体形变容易感测，部分逸出气体还可以复合，另一些就作为不可逆反应的结果，损失了容量，这可以看作电流强度超出电池接受能力。在恒压阶段，有称涓流充电，大约花费30%的时间充入10%的电量，电流强度减小，析气、温升不再增加，并反方向变化。

　　2.2 过充电

　　上述过程考虑电池组总电压或平均电压控制，其实总有单体电压较高者，相对组内其它电池已经进入过充电阶段。过充电时，若在恒流阶段发生，由于电流强度大，电压、温升、内压持续升高，以4V锂为例，电压达到4。5V时，温升40度 、塑料壳体变硬，4。6V时温升可达60度、壳体形变明显并不可恢复，若继续过充，气阀打开、温升继续升高、不可逆反应加剧。恒压阶段，电流强度较小，过充症状不如恒流阶段显著。只要温升、内压过高，就伴随副反应，电池容量就会减少，而副反应具有惯性，发展到一定程度，可能在充电中也可能在充电结束后的短时间里使电池内部物质燃烧，导致电池报废。过充电加速电池容量衰减、导致电池失效，百害无一利。

　　2.3 放电

　　恒流放电时，电压有一陡然跌落，主要由欧姆电阻造成压降，这电阻包括连接单体电极的导线电阻和触点电阻，电压继续下降，经过一段时间以后，到达新的电化学平衡，进入放电平台期，电压变化不明显，放热反应加电阻释热使电池温升较高。放电电压曲线近似单体放电曲线，持续放电，电压曲线进入马尾下降阶段，极化阻抗增大，输出效率降低，热耗增大，接近终止电压时停止放电。

　　上述过程用恒流特性模拟负载电机，实际汽车在行使中，电机输出功率的变化很复杂，电流双极性变化，即使匀速行使，路面颠簸、微小转向都使输出功率实时变化，在短时间段里，可以用恒流放电模拟分析，总之大的方向是放电，偶尔有不规则的零脉冲 (无逆变功能)或负脉冲(有逆变功能，电池被充电)出现。

　　2.4 过放电

　　考虑组内单体电池，必有相对的过放电情况。在放电后期，电压接近马尾曲线，组中单体容量正态分布，电压分布很复杂，容量最小的单体电压跌落得也就最早、最快，若这时其它电池电压降低不是很明显，小容量单体电压跌落情况被掩盖，已经被过度放电

　　观察单体过放情况，进入马尾曲线以后，若电流持续较大，电压迅速降低，并很快反向，这时电池被反方向充电，或称被动放电，活性物质结构被破坏，另一种副反应很快发生，过一段时间，电池活性材料接近全部丧失，等效为一个无源电阻，电压为负值，数值上等于反充电流在等效电阻上产生的压降，停止放电后，原电池电动势消失，电压不能恢复，因此，一次反充电足以使电池报废。

　　组中单体过放容易发生不易控制，电机控制器的限压限流办法都不起有效作用，电池输出功率的变化产生的欧姆、极化电压波动足以淹没单体电压跌落信号，组电压监视失去意义。

　　2.5 经济速度与续驶里程

　　传统汽车以经济速度行驶耗油最省，用百公里耗油量评价，经济速度由发动机效率、动力传动效率和摩擦力决定，电动汽车也有经济速度，由电池使用效率、电动机和控制器效率、摩擦阻力决定，经济速度与电池组内阻有直接关系，在一定范围内变化。以经济速度行驶，电动汽车能达到最大的续驶里程。固定整车和电动机，续驶里程可以考察动力电池组的能量供给能力，经济速度反映了电池组功率提供能力，电动汽车希望动力电池组能提供大容量和高功率。

　　2.6 加速与爬坡

电动汽车在加速和爬坡时输出功率大，