电动车电池一致性配组技术

白杨

电动车电池一致性配组技术
摘要：本文对各类二次电池的特点和特性进行了比较；用数学方法对电池失效机理进行了分析，提出了一种表述电池容量Ci与循环使用次数n间函数关系的数学模型；在对判断电池一致性一般方法优缺点的基础上，提出了全程动态特性配组法FCDCM，并对FCDCM方法的实现和应用作了详细论述。
关键词：电动车 蓄电池 充电 一致性 寿命
1. 综述
随着人类对自身生存环境的重视，对现代文明带来的巨大副作用危机的理解加深，对将来人类社会的工业文明及物质文明的重新定义和认识的改变，人们深刻意识到发展经济必须遵循两大原则：环境保护和不可再生资源的合理使用。电动自行车正是顺应这两大主题概念而产生和发展的社会产品。是人类对自身保护的使然，是人与自然关系正确处理的必然。可以这么说，电动自行车是具有初级“后现代文明”鲜明特征的典型产品。
以电池为动力源的电动自行车，电池的好坏优劣直接影响着电动自行车最主要的使用性能指标和产品的有效使用价值。过去，电动自行车曾有着三起三落的惨痛教训，败就败在电池上。现在，电动自行车功性能指标日臻完善，作为社会商品的可使用性大幅度提高，这也得益于电池技术突飞猛进的发展，故将来成功也成在电池上。可谓关乎于生死存亡的大事，不可等闲视之。
近十年来，二次电池技术以异乎寻常的速度发展，密封免维护铅酸电池、铅布水平电池、镍氢电池、镍锌电池、锌空电池、燃料电池、锂离子电池、高分子聚合物锂离子电池齐头并进。有的制造工艺获得重大改进，有的材料特性取得极大发展，有的研究开发获得重大突破，带来了令人向往的应用前景。这也就为电动自行车技术和产业发展奠定了基础和带来了迅猛发展的可能。
将技术更加先进、性能更为优良的电池新技术及技术产品更快的用于电动自行车领域，将会带来电动自行车性能、功能、外观的显著改进，大为提高电动自行车产品可使用性和价值性，增强产品的市场竞争能力。
但每个技术和产品在其应用过程中，在带来优点的同时，也都同时存在其特有的、异于过去常规的特点、规律、问题及不足。只有认真解决了这些问题和不足后，才能体现新产品、新技术带来的显著优点，产品的功、性能才会大幅度得以提高。正是基于此目的，本文就二次电池在电动自行车上使用的一些观念、问题、不足加以阐述，进而提出相应的对策和解决方法
就电动自行车而言，现阶段适合其使用的主要为三种：铅酸类蓄电池、镍镉镍氢类电池、锂离子类电池。
铅酸类蓄电池主要是阀控免维护电池，胶体电池和铅布水平电池也开始小批量试用使用。主要特点是价格低廉，技术成熟，使用性能稳定。其主要问题是比能量低，体积大，质量重，循环寿命较短。同时还存在废弃电池残酸液和金属铅的二次污染问题。
镍氢电池（镍镉电池由于镉对环境的污染，以逐渐淘汰，故不讨论）容量较高，无记忆效应，制造材料对环境污染很少，人们习惯称其为环保电池，是九十年代涌现出的电池家族中新秀，发展迅猛。它和NiCd蓄电池一脉相承，只是以吸藏氢气的合金材料（MH）取代Nicd蓄电池中的负极材料镉Cd、电动势仍为1．32v。且能量密度高于Nicd，对环境不存在任何污染问题，具备NiCd蓄电池的所有优异特性。但是，Ni-MH蓄电池也有美中不足，那就是吸藏氢气的合金材料远比镍镉NiCd的镉Cd贵重，镍材料也不便宜。因此，Ni-MH蓄电池的重要研究课题之一是降低材料成本，其难度也是很大的。
锂离子二次电池是继镍氢（Ni-MH）电池后最新一代可充电电池，其质量比能量是Ni-MH电池的1.5-2倍，具有工作电压高（3.6V）、安全、循环寿命长和无记忆效应的优点，工作温度范围可达-20-60℃。锂离子电池既保持了锂电池高电压、高容量的主要优点，又具有循环寿命长、安全性能好的显著特点，锂离子电池将是继镍镉、镍氢电池之后，在下世纪相当长一段时间内市场前景最好，发展最快的一种二次电池。
这三种电池的性能性能指标对比见表1。
表1 几种电动自行车常用电池性能对比
电池种类性能铅酸Pd-acid镍氢Ni-MH锂离子Li-ion
比能量（Wh/Kg）32－3560－80130
能量密度（W·h/L）90135170
比功率（W/kg）130170300
循环寿命(次)50010001200
平均电压（V）1.21.23.6
电压范围（V）1.0 ～1.41.0 ～1.43.0 ～4.2
自放电率（%/月）430 ～ 356 ～ 9
有无记忆效应无较小无
有无污染有无无
2. 问题的提出
单体电池的性能再优良，质量再好，若同组使用的各单体电池特性不一致或组合封装时初始状态不一致，都会导致二次电池组整体特性急剧衰退和部分电池的加速损坏。故保证配组电池特性的一致和确保单体一致性充电这两个环节就至关重要了。这也是二次电池在电动自行车上成功应用和保证二次电池特性充分发挥的关键要点。
众所周知，在实际使用过程中，当充电或放电容量大于获小于电池固有容量时，就会损伤电池，其表现形式为电池的实际容量值衰减。可以用下式表述：

这里： Ri为循环使用到第i次时电池的容量值
，为第i－1次的容量值与第i－2的容量值之差。
f(△Ri)是电池过充过放容量损伤系数，为过充过放容量值的函数。
由（1）式可得
  (2)

从最好的情况考虑，令

（n为循环次数） （3）
例如：当R0=12Ah，正常循环寿命次数为500次（指当电池的实际容量衰减到0.8倍的额定容量时的循环次数），为考虑简单，将其在正常合理使用时视为定常线性系统。因此，可用下式进行表示：

当n=0时，R=R0=12Ah。当n=500时，R=0.8R0=9.6Ah。当存在过充或过放的情况时，就要考虑容量损伤系数f(△R)。假定容量损伤系数f(△R)＝0.999，则电池容量表达式如下：
（4）
由(4)式可得，当n＝150时

由此可见，不正常的充电或放电将会大大缩减电池的使用寿命。这里我们还是考虑最好的情况，即取损伤系数f(△Ri)的最大值为定常系数。而实际上f(△Ri)也是一个急剧衰减的时变函数。因此，电池的实际使用寿命将低于上述值，在100次左右。这也就是为什么使用不当充电器充电时，电池只能使用3－4个月的原因。
上面讨论的还仅是一个单体电池在不正常充电时的情况，当电池组由多个单体电池串连组合使用时，情况更为严重。即使单个电池质量完好，对电池组整体充电时电流、电压和容量的控制正常，但由于各单体电池特性的不一致，将导致电池组内部各单体电池过充和过放情况的严重不一致，就内部单个电池而言，组合使用比单个使用更容易发生过充和过放现象，且不易发现。其加速损坏表现在两个方面：
⑴ 就电池组内单体而言，每次的过充或过放程度更甚于单个独立使用，因而加剧损坏的程度更烈，速度更快；
⑵ 当一个单体的特性加剧恶化时，将导致电池组内其它单体发生多米诺骨牌效应的连锁性、加剧性损坏。
总的来讲，电动车电池的使用寿命取决于三个方面：
●电池类型。例如铅酸阀控密封电池的循环寿命约为300－500次，Ni-MH为1000次，Lilon为1200次。这可根据整车的使用要求和档次确定，是在设计阶段考虑的问题。故不敷赘叙。
●电池质量。是受材料质量、工艺水平、化成过程等诸多因素影响。这就要靠严谨的选点认证、严格的部品检验和完备的检验设备及手段来保证。
●单体一致性。由三个方面构成：各单体电池固有特性的差异性；组合封装前的初始状态；性能变化过程中的离散性（即变化、衰退的不一致性）。
本文就第三个方面的问题，即电池一致性智能配组技术加以论述。
3. 基本原理
一般来说过去常用的一致性配组（也称为分选）的方法有以下几种：
⑴．电压配组法。这里面又分为空载电压配组法和带荷电压配组法。空载电压配组法操作最为简单，但最不准确，甚至是错误的结果。带荷电压配组法相对也比较简单，但仅考虑了带负载时的电压情况，并没有考虑到带荷时间、荷载变化和输出容量等因素，因此也不合理。
⑵．静态容量配组法。在国标规定的充放电条件，测量电池的放电容量。这种方法只能说明在国标规定的条件下其容量相同。而电池的特性是随工作状态和使用环境不同而变化的。因此，用特定条件下的静态容量配组不能保证电池在实际使用过程中的特性及其变化的一致性。但有此配组聊胜于无，仅此而已。
⑶．内阻匹配法。这是现在许多工程技术人员最为关注和感兴趣的方法，其原因是该方法可以瞬间、快速测量。但该方法现阶段仅只能作为定性参考，要作为定量、精确的判定依据在理论上和实现上还有许多问题没有解决，其一是在理论上尚为确定电池内阻与电池特性间的数学模型、函数关系和边界条件。而现在多采用初始数据对比来运用该方法，因而较为粗糙和有较大的局狭性。其二是要准确、精确测量内阻，实现上有较大难度。这是因为作为可观测量的内阻由静态内阻和极化内阻两部分组合而成，而我们关心的是电池的静态内阻。因此在测量时要除去极化内阻的影响，这是比较困难的。
⑷．全程动态特性配组法。鉴于上述各类方法的不足之处和现实需求的现况，并考虑到实现上的可能性，本文提出了全程动态特性配组FCDCM (Full Course Dynamic Characteristic Matching)方法，该配组方法的主要工作原理是：不仅仅是对静态放电容量配组，而是可由用户任意设定电池的测试环境和条件，统一、相同的施加到样本空间足够大的待测电池群上。然后将在该测试环境和条件下采集获取的所有待测电池的特性数据进行全过程相关处理，并根据相关性判定指标，自动生成具有同一特征的各子集空间，并按子集空间大小降序排列，输出最大配组率的配组结果报告和给出相应的指示。这样就可以根据配组报告或对应通道的指示，及其方便的将待测电池群中特性一致的单体电池准确的分检出来进行组合封装。这种配组方式可最大限度的确保电池在实际使用环境中的特性一致。
　
4. 实现方法
FCDCM是在IDTB（Intellgent Detect & Testing for Batter）平台上实现和进行的。IDTB如图1所示，其工作原理如下：
操作者借助Host Manage System的Panel将完成特定检验或测试工作所必需的指令及参数（如充电模式、放电模式、充放电参数、过程切换条件、保护条件、循环次数等等）输入到HMS中。
HMS将这些指令和参数转换成相对应的信令代码，并通过Host Manage System的UART接口发送给各智能控制器Intellgent Contrl Unit。
智能控制器ICU透过自身的UART接口收到HMS发送来的信令后，对其进行译码，并生成相应的控制时序、控制逻辑、控制代码和参数代码。
接着ICU通过SBUS接口及总线对程控数字电源PDS进行设置和控制；通过ELBUS接口及总线对程控电子负载PEL进行设置和控制；通过DBUS接口及总线对数据采集单元DSU进行设置。
PDS在ICU的控制下自动的为待测电池提供符合特定充电曲线要求的充电环境。从另一个角度而言，PDS就是一个智能动态电源。
PEL在ICU的控制下具有动态模拟负载的特征。设ICU输出SICU为HMS信令集J的函数
S =H[J(α1，···,α ，β1, ···,β ,γ1,···,γ ,···)] (5)
　
　

图1 IDTB系统框图
这里，J(α1，…,αn，β1,…,βm,γ1,…,γk,…)为HMS输出的信令集，α1，…,αn，β1,…,βm,γ1,…,γk,…为信令集J的信令元素。又因为PEL的负载特性RPEL为电动势特性EPEL和内阻特性rPEL的函数G，如式(2)
                                  (6)
其中
                                  (7)
                                  (8)
               (9)
由此可见，HMS的信令子集决定了PEL的负载特性RPEL。换句话说，要使PEL具有不同的负载特性RPEL，仅需改变HMS信令集中相对应的子集即可。
当PDS和PEL在ICU的控制下有序、按所需测试条件工作时，待测电池Bi的端电压、电流和温度将以自己固有的特性发生相应变化。即，这些相应的变化反映了电池在特定测试条件下的固有特性。
I传感器检测出电池的电流信号，T传感器检测出电池的温度信号，数据采集单元DSU通过Vin+、Vin-对电池端电压信号进行采样，通过Iin+、Iin-对电池电流信号进行采样，通过Tin+、Tin-对电池温度信号进行采样。
DSU在ICU的控制下将这些采集到的离散化数据通过DBUS接口总线送到ICU。然后，ICU对这些数据进行数字滤波、数据变换和编码压缩，并通过UART上传到Host Manage System的HMS。
HMS系统完成对数据的解压、译码，并按用户的特定要求进行数据处理后分别以数字、图形、曲线的形式在Terminal上显示。同时产生原始数据文档存盘和报表文档供打印输出和存盘。
多通道电池配组系统结构示意如图2所示。

图2 电池一致性配组系统示意图
　
5. 结论
综上所述，建立和运行在IDTB智能平台上的全程动态特性配组FCDCM (Full Course Dynamic Characteristic Matching)方法，具有智能化、数字化、自动化的特点，其配组结果极为接近实际工况时的电池特性，是保证电池组使用寿命的重要环节和关键技术。采用该技术实现的“电动车电池一致性配组仪”是电池厂家和整车厂家必备的关键设备，它将为部品检验、质量保障、配组工艺提供有效的手段和方法。
世界上的事情，一致是相对的，不一致是绝对的。即使是采用了“多通道电池综合特性配组测试仪”配组出来的电池，在特性上还是存在偏差容限所允许的偏差。虽然特性偏差很小，若用电池组整体电压电流控制方式的充电器进行充电，也会急剧增大组内单体电池的特性偏差（即不一致性），且这是一个愈演愈烈的加速过程。为此，武汉安德科技开发有限公司专门开发生产了一种“ADD单体一致性充电器”，在不改变电池组内部连接关系情况下，实现了单体电池各自独立调控充电。这种充电方式的最大特点和优点是：即使组内单体电池的初始状态不一致，甚至有较大的差异，经过一轮充电，各单体电池均达到一致的充满状态且绝无过充现象。换句话说，该方式的充电器有极强的“自动纠偏”功能。这样，就可基本保证电池在长期使用过程中，组内各单体电池的差异性控制在允许的偏差范围内，即电池是在允许的偏差范围内工作。这就保证了电池组整体特性的长期稳定性，使得电池组使用寿命接近单体电池独立使用的寿命。
这两个控制环节的着眼点不同，前者是将特性一致的电池圈到同一个圈内，这个圈就是允许偏差；后者是将各单体电池维持、禁锢在这个圈内。换句形象的话说，前者是“合并同类”，后者是“划地为牢”。两个环节相辅相成，互为补充，相得益彰，缺一不可。
综上所述，既有手段将组合电池各单体特性控制在允许的偏差内，又有能力保证在长期使用中将各单体电池特性维持在允许的偏差内，这就较好的解决了二次电池多单体组合使用的特性一致性问题。

万里行

好贴！

zmg666666

hao

白杨

怎一个好字了得！

qing-feng

在武汉安德的网站上抄的吧，呵呵，早就看过了！

西西寻宝

我也顶一下

xbly

好贴，顶。

石国庆

我顶

zbyinling

FX-12V
蓄电池组分选配组系统
　  
一、适用范围
该产品适用于对电动车专用蓄电池电压、容量等进行检测，并根据电压、容量进行分选和配组。能够保证蓄电池出厂时电压和容量的一致性。
二、性能特点：
该系统采用了先进的计算机控制技术，它采用微处理器进行数据采集，然后通过高速接口上传至计算机进行数据分析和存储，并对每个蓄电池状态进行实时监控，以数据和曲线的形式实时显示各种参数，所有的数据和曲线均可通过打印机进行打印，也可将数据导出到Excel中进行编辑和处理。
◇传统电池配组设备存在的弊端：
传统的蓄电池配组设备分串联式和并联式两种。
传统串联放电检测设备是将蓄电池串联成一个回路进行放电，整个串联回路的电流一致性好，但是电压检测比较困难，并且检测精度难以保证，同时很难实现对每个电池的单独控制。由于每个电池不可能做到特性完全一致，所以在放电过程中势必会出现有的电池已经放电到终止电压，而有的电池电压还比较高，尚有较多的容量，由于这种方式不能对每个电池分别进行控制，即到达终止电压的电池不能被切除，若继续放电会造成该电池过放电，严重影响了电池使用寿命。若停止放电则其余电池没有放完电，无法检测到其容量。这时传统的做法是迅速检测每个电池电压后停止放电，根据电压对电池进行配组。我们知道电池电压与容量之间并不是线性关系，所以这种蓄电池配组方法精度无法保证。
传统并联式蓄电池配组设备是将每个电池单独做为一个回路来放电，放电电流分别进行控制，该方法明显的优点是电压检测精度高，并且能够将每个电池的容量测量出来。存在的弊端有：1、每路电流由于是分别控制，加上电流控制元件的离散性，电流的一致性较难以保证。2、每个电池单独控制造成电路复杂程度提高，成本大幅增加。
◇根据传统蓄电池分选配组系统存在的弊端，我公司技术人员与山东理工大学合作，经过两年多的紧张研制，FX-12V蓄电池分选配组系统于2005年5月研制成功。
1、该系统结合了传统串联式和并联式蓄电池检测配组的优点，采用先进的电流跟踪技术，保证每个电池放电电流的一致性。并且对每个电池分别进行检测和控制，在放电过程中系统实时检测每个电池电压，当检测到某只电池到达规定电压后，自动将该只电池切除，其他电池继续放电，直至所有电池全部放电完毕。所以该系统能够准确地检测每个电池的电压和容量。
2、电压、电流检测精度大幅提高，本系统采用最新16BIT的AD转换器，采样精度优于千分之一；另外，在系统中将电压线和电流线分离，排除了电流对采样电压的影响，进一步提高了电压精度。在电流检测中使用了进口的集成电路电流传感器，精度高，线性度好。
3、在充放电控制柜上采用了专用的夹具，将电池放到卡槽上轻轻一推，电池正负极自动连接，彻底抛弃了鳄鱼夹，减轻工人的劳动强度，也大大提高了生产的效率。
4、方便的设置放电终止电压，当电池放电至终止电压时，系统将自动切断此块电池，并指示出是哪一块电池；当全部电池被切除后，系统发出报警，以提醒用户注意。
5、本仪器采用数字设定、数字显示、程序控制的工作方式，所有参数均可通过上位PC机进行设置。
6、有标准的RS485接口，配备管理软件，可以与电脑串行口直接相连，还可实现多机连网，由上位机统一管理。
三、技术指标
电压采样精度：±0.5%        电流采样精度：±0.5%
　　单次采集速率：1次/5秒       最短采集时间间隔：30秒
单路采集电池数：18个        放电模式：恒流（可设定）
电池最大采集容量：576个电池/32回路单柜36只或54只
　  具备RS485接口，可通过计算机将数据进行编辑、打印
淄博银领电子科技有限公司
电话：0533－3590880　2118348　　　传真：0533－3590880
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