矩阵电池组装的核心技术.doc

矩阵电池组装所需的核心技术
------按伏安特性曲线动态分选电池的方法
 2009年以来，我国将新能源汽车确立为战略性新兴产业，政府和行业高度重视。作为新能源汽车产业核心主体的电动汽车，采用以电池、电机、电控系统为核心的新型动力系统，与传统燃油汽车在产品技术、产业生产体系、商业运营模式、基础设施等诸多方面都有很大区别。
但是，我国在电动汽车产业方面仍然存在薄弱环节。数据表明，我国电动汽车发展形势不容乐观，部分领域发展滞后，关键技术差距较大。电动汽车的关键是矩阵电池，而矩阵电池的性能好坏直接影响电动汽车的发展。近几年我国的电池技术进步明显，单体电池性能接近国际先进水平，但在产品特别是成组产品系统---矩阵电池的工程化能力、成组技术、寿命、可靠性、充放电能力、能量管理与热管理等方面，明显落后于国际先进水平。
一、简介
矩阵电池是由单体电池组成的，其寿命取决于每一个电池的寿命，以及组合时每个单体电池的动态特性是否一致，而后者更决定了矩阵电池的性能好坏。如果其中的单体电池动态一致性不好，每个单体电池都会受到影响，过充的更过充，过放的更过放，过热的就更热，好的会变坏，坏的变坏更快，最终导致矩阵电池的整体性能迅速下降，寿命变短。因此，组装矩阵电池时，挑选单体电池的动态一致性非常重要。北京核心动力科技有限公司研究的按动态特性分析配组的技术，较完善的解决了这一问题，大幅度提高了矩阵电池的寿命和性能。
按动态特性分析配组的技术指按伏安特性曲线分选矩阵电池，这是一种动态特性分选方法。矩阵电池经常工作在频繁的充放电情况下，工作电流也是不同倍率来回变化。如果没有对单体电池性能进行分选，就直接配组，在使用过程中必定造成有的单体电池的过充、过放，产生电池状态的误差，影响矩阵电池的使用。
传统的电池分选一般是按照电池的容量进行分选，先进一点的是采用充放电曲线进行分选，利用恒定的充放电流，对电池进行检测，得出充放电曲线，最后进行分选。而矩阵电池经常工作在不同倍率的充放电电流下，并且工作电流变化很大，按传统的电池分选方法必定造成分选误差。所以采用动态特性分选矩阵电池，当矩阵电池在不同倍率电流工作时，应有相同的输出功率，相同的电压，相同的内阻，分析电池的伏安特性曲线就能找到不同倍率电流下的电池输出功率，电压值，以及动态电阻等丰富信息。从而依据这些数据来精准的分选电池能大幅度提高分选精度，提高电池的使用寿命。
二、原理
1、分选方法---按伏安特性曲线分选
电池的伏安特性曲线采用非线性测量方法。在电池的常用工作电流区间提高采样频率或减慢电流变化率，从而获取更丰富的电压和电流数据。而对于不常用的电流区间可采取降低采样频率，提高电流变化率的方法获得相应数据。也就使曲线中部数据丰富，为分选提供大量的参考数据。从而进一步提高分选精度。
图1-1 伏安特性曲线
通过对电池的快速充放电，在数毫秒之内同步测量单体电池的电压和电流数据，从而绘制出一条从过压——>开路——>短路——>负压的伏安曲线（如图1-1所示）。同时还可以通过过电压的测试测定单体电池的耐压性能，通过最大输出功率点的对比可以确定配组后矩阵电池的最佳工作电压等。
2、配组方法
通过测量单体电池的伏安特性曲线，将曲线重合进行比对分析，或者对曲线上的动态特性数据点（比如开路电压，短路电流，最大输出功率点等）进行比对分析，进而挑选动态特性曲线一致，关键动态数据相近的单体电池进行串联或者并联，配组成独立的电池组单元。对于独立的电池组单元再次进行伏安特性曲线分选，从而挑选动态特性曲线和关键动态数据相近的电池组单元，最终组成矩阵电池组。依据“木桶效应”，所组装的单体电池工作参数、性能和寿命基本一致，这样也就极大的提高了矩阵电池的性能，延长其使用寿命。
3、测试分析
（1）、工作过程如下：
a) 将电池依次放在电池检测设备（已有设备）上，外接入电源，计算机控制（已有技术）电池大电流充放电；
b) 计算机控制完成电池电压和电流的采集，生成伏安特性曲线，将结果保存，其中：当电池充放电回路中电流为零时，对应的电压记为电池的开路电压UOC，当电池两端电压为零时，对应的电流记为电池的短路电流ISC；
c) 通过电池的开路电压UOC和短路电流ISC，利用R＝UOC/ISC计算出电池的内阻阻值R；通过电压－电流的对应采集值利用P＝max｛U×I｝计算出电池的最大功率点P;
d) 确定标准电池开路电压（UOC）、短路电流（ISC）、内阻阻值（R）以及最大功率点（P）的误差范围；
e) 根据标准电池的开路电压、短路电流、内阻阻值以及最大功率点的至少一个条件对比进行电池分选归类；也可以利用电池伏安特性曲线中的一段曲线对比标准曲线在一定误差范围内进行分选。

图3-1、10Ah锂电池测量数据
（2）、曲线比对及分选

图3-2、单只10Ah锂电池实测伏安曲线

图3-3、多只同规格电池的实测伏安曲线

图3-4、满足分选条件的电池的伏安曲线
三、特点
对于矩阵电池配组，动态分选是不可取代的。虽然附属的电池均衡系统，能在一定范围内起到均衡的作用，但均衡的过程对于矩阵电池中的容量偏差较大单体电池而言，实际就是更大电流的充放电，容量偏差越大，单体电池的工作电流也越大，从而加剧了电池的损坏，对其寿命造成影响。采用动态特性分选的矩阵电池，能提高分选精度，从而减轻均衡的要求。可提高矩阵电池寿命50%到5倍以上。
动态特性分选特点：
1、分选速度快：无需进行完整的电池充放电过程，仅进行电池的大电流放电过程（时间短不会损坏电池）。使得测试过程简单、效率高；
2、分选质量高：电池分类利用电池的开路电压、短路电流、内阻、最大功率点或者在测试过程中的特性曲线结合来分选电池，使得分类更加准确；
3、使用方便：使用过程中可以根据实际需要选择相关参数的结合，使得分选机制更加灵活。