连接片阻值对电动汽车用动力电池性能的影响

王丽梅，程 勇

(山东大学能源与动力工程学院, 济南 250061)



2015011

连接片阻值对电动汽车用动力电池性能的影响

王丽梅，程 勇

(山东大学能源与动力工程学院, 济南 250061)

鉴于单体电池间连接片的阻值和极柱的位置影响单节电池的性能，基于Matlab/Simscape开发了单体电池模型，并利用此模型和以电阻模拟的连接片构建了单节电池模型，仿真分析了连接片阻值对单节电池性能的影响。结果表明，连接片的存在使与极柱相连的单体电池最先达到电池管理系统设定的放电截止电压，以致影响电池的性能；与极柱相连的单体电池的率先老化导致与其相邻的单体电池出现过放电的现象，影响单节电池的安全性。最后，设定各单体电池SOC间最大偏差为0.05，对不同并联电池数目的单节电池进行仿真，得出连接片与电池欧姆内阻阻值的合理比例。

电动汽车； 连接片阻值; 电池仿真模型; 电池安全性

前言

电动汽车动力电池组一般由多个单节电池串联而成，而单节电池又由多个单体电池通过连接片并联组成。文献[1]～文献[3]中认为，单体电池间的差异导致电池成组后的使用性能远远低于单体电池原有水平。试验发现，充放电过程中，单节电池内部各单体电池端电压间的差异。此差异远远超过单体电池参数不一致产生的差异，分析认为是连接片的存在导致了这一现象。

在动力电池的研究过程中，仿真技术扮演着重要角色。人们提出了电化学模型和等效电路模型等一系列电池简化模型[4-7]。文献[8]中指出，一阶、二阶RC等效电路模型计算简单，参数提取方便，且仿真结果拥有足够的精度。综合考虑模型精度与计算复杂性，本文中选用了一阶RC等效电路模型对单体电池进行建模，利用Matlab/Simscape平台开发了相应的电路模块，建立了单体电池模型，并以此为基础，利用电阻模拟连接片，建立了单节电池模型。依据建立的单节电池模型仿真分析了连接片阻值对单节电池使用性能及安全性能的影响。

1 电池模型的建立与验证

1.1 单体电池模型的建立与验证

电池的一阶RC等效电路模型如图1所示。

图中Em为电池开路电压，R0为电池的欧姆内阻，R1为电池的极化内阻，C1为电池的极化电容，它与R1构成阻容回路，用于模拟电池的动态特性。I表示流过电池的总电流，V表示电池的端电压。文献[8]～文献[10]中指出，Em、R0、R1、C1与电池SOC及温度有关。文献[11]中指出，随着电池的老化，R0增加而R1基本不变。

一阶RC等效电路模型中包括温度模型、SOC估算模型、开路电压模型、欧姆内阻模型、极化内阻和极化电容模型。其中开路电压模型、欧姆内阻模型、极化内阻和极化电容模型基于查表的方式实现，温度模型和SOC估算模型原理如下所述。

1.1.1 温度模型

文献[8]～文献[10]中给出的温度模型为

(1)

式中:CT为比热容，J/(kg·K)；T为电池内部温度，K；Tamb为环境温度，K；RT为对流换热热阻，W/(m2·K)；Qcell为电池内部消耗能量，W；Mmass表示单节电池的质量，kg；Acell表示单节电池的对流换热面积，m2。

电池内部能量消耗缘于电池欧姆内阻和极化内阻，其计算公式为

(2)

式中:I1为流过极化内阻R1的电流，A，电阻单位为Ω。

1.1.2 SOC估算模型

电池SOC的估算普遍采用安时积分法，其计算公式为

SOC=1-Qcon/C

(3)

式中:Qcon表示电池已消耗容量，A·h；C表示电池总容量，A·h，是电流I和温度T的函数，同时也受循环次数的影响。

利用Simscape语言，基于一阶RC电池模型，建立了单体电池模型。

分别在5、25和45℃下对8只3.65V、10A·h的单体电池进行恒流及脉动放电试验。脉动放电电流信号参考实车采集的一个时间片段内的电流信号变化规律制定，如图2所示。

利用递推最小二乘法在线提取不同试验情况下的单体电池有关参数，建立用于描述不同工况下电池开路电压、欧姆内阻、极化内阻和极化电容随电池温度、电流和SOC等参数间的关系表。在25℃下对所建的单体电池模型进行试验验证。图3和图4分别对比显示了恒流和脉冲放电工况下的实测与仿真信号。由图可见，仿真与实测的结果吻合，其最大误差不超过1%，表明所建的单体电池模型有效，可用于仿真分析。

1.2 单节电池模型的建立

利用电阻模拟连接片，通过5节3.65V、10A·h单体电池并联，建立了如图5所示的3.65V，50A·h的单节电池模型。其中单体电池从左到右分别定义为1～5号。

2 连接片阻值对单体电池使用性能的影响

连接片一般采用铜镍合金或铜网制成，利用不同材质生产的连接片的阻值不同，低者只有1‰mΩ，高者可达几mΩ[1]。

利用单节电池模型，仿真分析了恒流放电过程中，不同连接片阻值对各单体使用过程中单体电池端电压及SOC差异的影响。

仿真用单体电池欧姆内阻约为15mΩ，连接片阻值分别设定为0.75、0.3、0.15和0.075mΩ，放电电流为50A(1C)。仿真初始状态单节电池SOC为0.75，结束条件为某一单体电池SOC降到0.05。

图6和图7分别显示连接片阻值为0.3mΩ，极柱接在1号和3号单体电池上的仿真结果，其余阻值连接片的仿真结果与此类似。

对比图6(a)和图7(a)可见，放电结束时，不同单体电池间端电压存在差异。与极柱直接连接的单体电池的端电压最低；极柱处于中间位置，即与3号单体电池连接时，各单体电池的端电压较接近。参见图5可知，放电过程中，连接片阻值的存在使连接片上存在分压，导致施加在单体电池两端的电压产生差异。实际应用中，电池管理系统对单节电池端电压进行监测并控制放电截止电压，其结果使远离极柱的单体电池实际放出能量比与极柱直接相连的单体电池低，降低了单节电池的整体放电性能。

对比图6(b)和图7(b)可见，放电结束时，与极柱相连的单体电池SOC最低。表1列出了不同连接片阻值下，放电结束时各单体电池SOC值，表中标注的极柱连接单体电池号“1”表示极柱与1号单体电池相连，“3”表示极柱与3号单体电池相连。

表1 放电结束时各单体电池SOC

由表可见，当连接片阻值为0.75mΩ(电池欧姆内阻的0.5%)时，单体电池SOC的最大值较单节电池SOC偏差达0.146，此偏差值远远超出了现有SOC估算误差范围0.05(5%)，而当连接片阻值为0.075mΩ时，此偏差只有0.005。因此降低连接片阻值有利于减小单体电池SOC与单节电池SOC偏差，提高单节电池的使用安全性。

为了保证各单体电池SOC间的一致性并与目前SOC约5%的估算精度相对应，须对连接片阻值进行限定。当连接片连在3号单体电池上时，连接片阻值为0.3mΩ(电池欧姆内阻的2%)，各单体电池SOC最大差异为0.034，可满足要求；而当连接片连在1号单体电池上时，连接片阻值须降到0.075mΩ(电池欧姆内阻的0.5%)，才能保证各单体电池间SOC差异小于0.05。因此，不同的连接方式，对连接片阻值的要求也不同。为了使各单体电池SOC偏差接近且在0.05内，建议极柱尽量中心安置，且须根据电池欧姆内阻阻值匹配连接片阻值。

3 连接片对单节电池安全性能的影响

电池管理系统应对单节电池的电压进行限制，避免出现过充和过放现象。单节电池放电截止电压与放电电流和电池老化状态有关，实际车辆运行过程中工况多变，较难设定。与极柱相连的单体电池长期处于深度充放电状态，其老化速度将高于与之并联的单体电池，这都将影响单节电池安全性，为此，对与极柱相连的单体电池处于不同老化状态下的情况进行了仿真。

单体电池的老化主要表现为欧姆内阻的增加及容量的降低，图8显示了试验用单体电池常温下电池容量和欧姆内阻随电池循环数的变化情况。由图可见，随着循环次数的增加，电池欧姆内阻及容量近似呈线性的变化规律，每100次循环单体电池欧姆内阻增加约3.862%，电池容量衰减1.179%。

在文献[12]道路工况试验中，配有192V、100A·h电池组的某电动汽车大部分工况的放电电流低于180A。采用0.075mΩ的连接片对10节单体电池并联组成的100A·h单节电池进行了仿真。仿真工况为与极柱相连的单体电池出现了不同程度的老化，而其他单体电池保持正常，仿真时放电电流为2C。

图9给出了极柱连接到处于不同老化状态下的1号单体电池时的仿真结果。图中“0”表示100A·h单节电池，“n”表示单体电池n，n=1，…，10。从图9(b)中可以看出，随着1号单体电池老化程度的增加，各单体电池SOC间差异有所降低。老化后的1号单体电池欧姆内阻增加，导致2号单体电池放电电流增大，SOC下降速度加快。由图9(b)还可以看出，当循环次数约为500时(由图8可知，此时1号单体电池欧姆内阻为初始值的1.2倍左右)，2号单体电池SOC与1号单体电池SOC趋于接近，且低于单节电池SOC;由图9(a)可以看出，此时2号单体电池的端电压高于单节电池端电压，由于电池管理系统不能对2号单体电池进行截止电压保护，将会出现过放电的现象，影响到整个单节电池的使用安全性。

4 连接片阻值的匹配

由上面的讨论可知，连接片阻值与电池的欧姆内阻、内部并联单体电池的数目、极柱位置的偏置程度和流经电池平均电流有关，极柱位置中心安置有利于降低各单体电池间SOC的偏差。

对极柱位置中心安置，不同数目单体电池并联构成的单节电池进行了仿真。仿真从单节电池SOC为0.9开始，某单体电池SOC降为0.1时结束。以单体电池间SOC最大偏差0.05为约束条件，研究了不同平均放电电流，不同并联单体电池数目下，所需的连接片阻值与电池欧姆内阻之比，如图10所示。

由图可见，为保证各单体电池间SOC最大差异在0.05左右，即使采用两节单体电池并联，平均放电电流只有0.5C时，连接片阻值与电池欧姆内阻阻值比例也不应超过10%。随着内部并联单体电池数的增加，平均放电电流的增大，此比例应相应降低，内部并联单体电池数目高于8节时，连接片阻值不宜高于电池欧姆内阻阻值的1%，故在降低电池欧姆内阻的同时，不应忽略电池成组时连接片阻值的影响。

5 结论

(1) 基于Matlab/Simscape建立了单体电池模型，该模型可对不同组合方式与状态下的电池工作过程进行仿真。

(2) 仿真结果表明，连接片的存在使与极柱相连的单体电池最先达到电池管理系统设定的充、放电截止电压，影响电池的使用性能。

(3) 与极柱相连的单体电池的率先老化将导致的与其相邻的单体电池出现过放电现象，影响单节电池的安全性。

(4) 以保证各单体电池SOC间最大偏差0.05为约束条件，仿真研究了不同并联电池数目下的连接片与电池欧姆内阻阻值的合理比例。

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[12] 黄万友. 纯电动汽车动力总成系统匹配技术研究[D]. 济南: 山东大学, 2012.

The Effects of Connecting Plate Resistance on the Performance of Power Battery for Electric Vehicles

Wang Limei & Cheng Yong

SchoolofEnergy&PowerEngineering,ShandongUniversity,Jinan250061

In view of the effects of the resistance of connecting plates and the position of terminal post on the performance of a battery module, a model for battery cell is developed based on Matlab/Simscape, with which and connecting plates simulated as a resistance, a model for battery module is built and a simulation is conducted to analyze the effects of connecting plate resistance on the performance of battery module. The results indicate that connecting plate make the battery cell connected directly to terminal post the first cell to reach discharge cut-off voltage set by battery management system, which influences the performance of battery. The battery cell connected to terminal post also ages first, leading to the over-discharge of its adjacent cell, and hence affecting the safety of battery module. Finally with the maximum SOC difference between cells set to 0.05, battery modules with different numbers of cells are simulated, and the reasonable ratio of connection plate resistance to battery ohmic resistance is obtained.

electric vehicles; connecting plate resistance; battery simulation model; battery safety

*原稿收到日期为2014年1月22日，修改稿收到日期为2014年5月6日。