——站在空间三层次，时间两阶段角度

一、背景介绍

    1.动力电池存在不一致性问题的必然性

    单只电池对使用设备来讲在使用过程中不存在一致性问题,而只有两只及以上电池串并联后在使用过程中才会出现一致性问题。而由于电池的不一致性问题会产生如下结果：电池系统循环寿命下降，达不到预期指标。

        电池系统不一致性形成主要原因如下：

  l电池温度分布不均匀：属于电池系统应用级别问题；涉及内容包括：结构设计及控制等；

  l各电芯直流内阻不一致；属于电芯产品问题；涉及内容包括：生产过程控制，电芯分容配组筛选等。

        2.  国内外动力电池状况对比

    1)国外电动汽车动力电池使用状况：

        基本满足整车的使用要求，其解决方式为：

        投资到位，在电池系统方面特点如下：

        单一品种，大批量生产，电芯制造过程各项参数（人机料法环）控制严格，此点极为重要；

         整车电池PACK结构设计合理；与汽车底盘一体化设计。

         Lea电池特点：单一电池，大批量化生产。

         2) 国内电动汽车动力电池使用状况：

    电动大巴动力电池在使用过程中寿命衰减过快，满足不了所承诺的寿命周期3年15万公里的指标；

    单只电池循环寿命：

    测试结果大于2000次（磷酸铁锂电池）；80%SOC；

    系统集成（如：PACK100AH-180串）：

    例如：单只电芯50AH，2并180串，共计360只，寿命是单只电池寿命的50%-60%左右，市场应用保守估计。

    3.中国国情特点：电池厂家投资不足，电芯为多品种小批量；

    多品种小批量产生原因：电池标准不统一，整车厂对电池容量及尺寸要求不一样。

   解决动力电池系统不一致问题可以从四个方面入手：

   1)电芯生产过程一致性控制

   2)电芯分容配组一致性控制

   3)关键节点参数控制

  电芯的交、直流内阻测试；

  电芯，模组，PACK三大部分的直流内阻测评；

  电芯，模组，PACK三大部分的温度分布测评。

   4)动力电池（PACK）系统使用过程一致性保障措施

   单只电芯均衡充电策略；

   PACK系统温度监控策略。

   上述四个方面可归纳为空间三层次和时间两阶段，即：

   从空间三层次角度保障动力电池系统一致性；

   从时间两阶段角度保障动力电池系统一致性；

   通过空间三层次和时间两阶段来保障动力电池系统在整个产品生命周期里满足动力电池系统寿命要求。

   二、从空间三层次来保障动力电池系统一致性

   电池PACK系统通常分为三层面（即空间三层次），分述如下：

   电芯层：是电池PACK系统的基础

   电芯容量一般为25AH、50AH、100AH等，根据需求串并联；

   电芯生产过程的常规控制策略包括：人机料法环；

   电芯一致性测评重点为：直流内阻测评和电芯温度分布测评；

   电芯一致性测评方法（单只电芯）如下：（参考案例）

   设备：20V/200A电池综合测试平台 1台；热成像仪：多点位 （固定式摄像头）1部；

   测试重点，直流内阻测试评价：在25度环境下；

   关键点： 在不同SOC下测试充放电直流内阻；

   三个关键点： SOC20%，SOC50%，SOC80%。

   说明：

   电芯容量、电芯温度、电芯交流内阻是常规电芯分容配组的重要指标；

   电芯温度分布曲线及电芯直流内阻是电芯一致性保障的的重要指标；

   其中：

      1）交流法测评在实际使用过程中只考虑单只电池的分容配组；在实际使用过程中不满足多节串联的系统一致性要求。

      2）直流内阻法测试评价可以从根本上解决电池系统一致性问题，故在多节使用时采用直流内阻法。

   在实际使用中需要将两种内阻测试法有机结合起来。

   模块层：在电芯与系统PACK之间起到承上启下的作用

   电池模块的一致性设计及测评重点：

  电芯直流内阻一致性；

  电芯温度分布特性；

  电芯极耳温度；

  连接触点及母排热分布特性；

  模组效率损耗。

   电池模块的一致性测评（电芯数量：3-30节电芯串联）如下：

       参考案例：电动大巴电池PACK，电芯容量300AH，电芯节数180串）

    设备需求：120V/400A电池综合测试平台 1台；热成像仪：多点位 2部（固定式摄像头）；多点位 1部（便携式）；

    测试重点，直流内阻测试评价：25度环境，SOC10%，SOC50%，SOC80%。

    PACK系统层：其作用是满足整车系统的要求

    动力电池系统一致性设计及测评重点：

   模组直流内阻一致性；

   模组温度分布特性；

   模组之间连接触点的热分布；

   模组效率损耗。

   电池PACK系统测评：

   设备需求：750V/400A电池综合测试平台 1台；多点位热成像仪： 2部（固定式摄像头）。

   测试重点，直流内阻测试及系统热分布状况：测试环境25度。

   电池容量：SOC10%，SOC50%，SOC80%。

     三、从时间两阶段来保障动力电池系统一致性

    动力电池系统一致性保障措施两阶段可概括为：

  出厂前动力电池系统一致性保障；

  使用过程中动力电池系统一致性保障。

     1、出厂前动力电池系统一致性保障措施

   1)电芯生产过程一致性解决方案具体措施如下：包括电芯生产过程的人机料法环五个方面的控制；

     2) 电池组分容配组一致性解决方案具体措施如下：

 按传统分容化成工艺实施：

 内阻测试：对电芯内阻的测试采用的是交流内阻法；

 容量测试：采用单只充放电设备；

   成组电芯必须满足的条件如下：

   采用先进分容化成工艺实施：

   内阻测试：对电芯内阻的测试采用直流内阻法；

   容量测试：采用多单充电池串联充放电设备；

   推荐采用先进分容化成工艺，所用新设备具有四个特点：

   具有化成设备功能；

   具有分容设备功能；

   可解决一致性分容问题，将分容配组功能合二唯一，降低成本；

  具有能量回馈功能；

   1)关键参数控制：

   电芯的交、直流内阻测评；

   电芯，模组，PACK三大部件的直流内阻测评；

   电芯，模组，PACK三大部件的温度分布测评；

      1、使用过程中动力电池系统一致性保障措施

   1)单只电芯均衡充电；

   BMS系统自带均衡功能；

   利用BMS系统自带均衡功能，具有两种模式：

   主动均衡模式；以充电方式均衡；

   被动均衡模式：以放电方式均衡；

   两种方式各有特色，依据不同的使用工况及成本做不同选择。

  车载充电均衡；

   此为主动均衡模式；

   优点：此均衡模式效果较好，可以校准SOC；

   不足：只能在充电式均衡；增加采购成本；

  维护性均衡。

   优点：节省充电时间；电池一致性有保障；SOC已校准；

   不足：会增加维护成本；

      2) PACK系统温度监控

   PACK系统温度监控是极为重要的电芯容量一致性保障措施之一，温度的差异性会使容量有极大下降，温度的一致性控制可从多方面

   考虑：

   箱体结构；不同车型有不同考虑方式；

   散热方式；自然风冷，强风，水冷；

   BMS及整车控制器的协调。

   下图为25AH磷酸铁锂曲线：

下表为25AH磷酸铁锂温度对比：

   说明：

   锂离子电芯温度分布曲线：以25度为标准容量，每下降10度，

   容量有递减。0度容量是25度容量的75%。

      一、动力电池系统一致性测试评价大纲

     1、电芯测试评价大纲（单节电芯及两节以上并联电芯），省略；

   2、模块测试评价大纲（3-24节串联），省略；

     3、PACK系统测试评价大纲（多箱体串联），省略。