关于SOH估算电池一致性的考虑

一路上

单体电池不一致性对电池组SOH的影响分析

电池的不一致性是指同一规格型号的单体电池组成电池组时及之后的使用过程中，其电压、荷电量、容量及其衰减率、内阻及其变化率、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。单体电池之间的不一致性严重影响电池组的健康寿命，单体电池不一致性对电池组的影响主要来源于电池组生产和使用过程中。

生产过程电池不一致性对电池组的影响分析

单体电池经过一定的方式组合成电池组作为一个系统输出能量。但是，在电池成组之前，每个单体电池本身是一个独立的个体，从设计制造到储存使用都是相互独立的，即使是同一家厂商、同一批次、同种规格的单体电池，这种客观存在的差异也无法避免。因此，电池在成组时单体电池之间就存在客观差异，归纳其因素主要有以下几个方面：

1.原材料之间存在差异：锂离子电池制造过程中要用到的原材料以及辅料多种多样，各材料之间本就呈现不一致性，这种不一致性因原材料的多样性进行叠加，直接导致电池原材料不一致性的加剧。

2.生产过程存在差异：从对原材料进行加工到锂离子成品电池，需要经过多道工序，持续的时间长达天，此过程中发生的诸多变异因素以及变异条件都会导致电池出现不一致现象。

3.生产设备存在差异：生产设备本身具有不稳定因素，因此，在制造锂离子电池的过程中，此原因也会使得电池之间存在差异现象。

4.电池的存储差异：储藏时间和储藏环境对电池实际可用容量及寿命的影响。由于电池所使用的各种原材料的性能都是逐渐老化的，因此电池充满电后若处于长期储存状态下，会进入自放电过程，其容量将逐渐减少，且这种现象是不可避免的。所以，同种规格、同时出厂的电池也会因为存储条件的差异出现不一致性。

由上述分析可知，电池组的一致性是相对的，不一致性是绝对的。电池组在生产过程中的不可抗拒因素决定了电池组整体的低于单体电池。


使用过程电池不一致对电池组的影响分析

在电池组装车使用时，由于电池组中各个电池的温度、通风条件、自放电程度、电解液浓度等差别的影响，在一定程度上会增加电池电压、内阻及容量等参数的不一致性。

1.容量不一致对电池组的影响

• 电池组在出厂前的分选试验可以保证单体初始容量一致性较好，在使用过程中可以通过电池单体单独充放电来调整单体初始容量，使之差异性较小，所以初始容量不一致不是电动车辆电池成组应用的主要矛盾。实际应用的容量不一致性是指电池在放电过程中所剩余的电量不相等，其主要和电池起始容量与放电电流有关。
• 电池起始容量受电池循环工作次数影响显著，越接近电池寿命周期后期，实际容量不一致性就越明显。随着电池循环次数的增加，电池的起始容量减少，同时电池的起始容量还与电池容量衰减特性有关，受到电池存储温度、电池荷电状态等因素影响。电池容量的衰减随着存储温度、存储荷电状态的增大而增大。
• 电池组实际放电容量不一致性还与电池放电电流有关。串联电池组由于流经电流相等，可认为对单体电池影响相同，但对于并联电池组，由于单体电池的内阻存在差异，使得流经电流出现差异，导致电池组实际容量将出现差异。
• 所以，在电池组实际使用过程中，容量不一致是电池起始容量和放电电流不一致综合影响的结果，直接导致电池组降低。
  

2.电压不一致对电池组的影响

• 电压不一致性的主要影响因素在于并联组中电池的互充电，当并联组中的一节电池电压低时，其他电池将给此电池充电。这种连接方式，低压电池容量小幅增加的同时高压电池容量急剧降低，能量将损耗在互充电过程中而达不到预期的对外输出。
• 若低压电池和正常电池一起使用，将成为电池组的负载，影响其他电池的工作，进而影响整个电池组的寿命。所以，在电池组不一致明显增大的深放电阶段，不能在继续行车，否则会造成低容量电池过放电，影响电池组使用寿命。
• 电池静态（电池静止以上）幵路电压在一定程度上是电池的集中表现。由于电池在一定范围内还与电池开路电压呈线性关系，幵路电压不一致性也在一定程度上体现了电池能量状态的不一致。
  

3.内阻不一致对电池组的影响

• 电池内阻不一致使得电池组在放电过程中各个单体电池由于热效应而损失的能量各不相同，最终会影响电池单体的能量状态。
• 串联电池组，在充电或放电时刻，串联组中的各单体电池的电流相等，内阻较大的电池单体，损失的能量大，热量产生多，温度升高较快。假如电池组散热的条件有限，热量无法立即散失，则电池的温度将一直不断升高，这也许会引起电池的变形甚至是爆炸。在充电的过程中，因为内阻值的差异，导致串联电池组中每个单体电池上所分配的电压不相等，即电池之间充电电压存在一定的差异。随着充电时间的累积，内阻值大的单体电池也许最先被充电到截止电压，因此为了预防充电中电池出现过充电现象并确保充电的安全性，迫使充电过程在多数电池尚未充满的状态下提前结束。
• 并联电池组，随着放电时间的累积，内阻大的放电电流小，内阻小的单体电池放电电流大，这直接导致电池在不一样的放电率状态下放电，对电池组整体寿命产生影响。此外，由于放电电流的不同，使得电池输出的能量存在差异。因此，在同样的工作情况下，电池拥有不同的放电深度。并联电池组在充电时，随着时间的累积，因单体电池的内阻不相等，导致充电电流在并联组中分配不均衡，所以充电容量在相同的时间段内不等，也就是电池充电的速度不等，从而给整个充电的过程造成影响。在充电的实际运作中，只能在预防电池的过充电和电池无法达到满充状态之间采取折中的方案。
  

将单体电池特性相对差异作为SOH的指标

在实际电池系统SOH估算中可以将单体电池SoC相对偏差（DeltaSocSoh）、单体内阻相对偏差（DeltaRSoh）作为SOH的技术指标。

图1 用真实电流曲线测试的电池模块SOC、R偏置

图2 用真实电流曲线测试的电池模块SOC、R偏置