0 引言

动力电池作为电动汽车的主要动力来源，其性能对电动汽车的使用和发展具有重要影响。而动力电池使用过程中的性能状态，不仅与其内部的电化学体系的稳定性有关，还受到电池组使用环境和使用工况的影响，特别是充放电倍率和工作温度。虽然电动汽车都配备了电池管理系统对电池组的使用状态进行实时监控，但系统中大量参数设置主要来源于特定条件下的测试结果或实验室数据，而对于在复杂运行工况和环境条件下的动力电池性能评估具有一定局限性。因此，在动力电池使用周期内，掌握其性能参数的变化规律，并根据这些参数对动力电池做出整体评估，对延长动力电池使用寿命，减少使用中故障的发生有着极其重要的意义^[1-2]。

本文基于内蒙古电力科学研究院使用的电动汽车锂动力电池充放电试验，利用电动汽车后台监控系统积累的动力电池相关数据，采用动力电池性能测量方法，对某一辆电动汽车动力电池组在运行周期中的电压一致性与荷电状态（SOC）特性进行分析，从而了解在实际运行工况尤其是不同环境温度下电池的整体性能状态，为提高电池的使用寿命和运行经济性提供可靠依据。

1 锂动力电池组特性及存在问题

锂动力电池是锂离子动力电池的简称，是一种可充电的二次电池，分高容量和高功率两种类型。其工作原理是依靠锂离子在电池正负极间的循环移动来实现电池的储能和放电过程。锂离子电池的放电和充电过程是可逆的，且在此过程中只有锂离子在移动，不析出金属状态的锂，确保了电池的稳定性^[3]。

在实际使用过程中，锂动力电池作为动力源，需要较高的电压和较大的容量，而单个锂电池的电压一般为3.3 V或3.7 V，容量较小，无法满足要求，因此需要将几十个甚至几百个的单体锂动力电池串并联成电池组。

在电动汽车使用中发现，锂动力电池组在使用一段时间后，单体电池的电压、容量等关键参数会参差不齐，这种不一致在不同环境温度下更加明显，这是锂动力电池组在使用中普遍存在的问题。因此，为保证锂动力电池组在电动汽车使用过程中安全可靠，需对锂动力电池组的关键参数进行分析及性能评估。

2 性能参数分析及评估

要全面掌握动力电池的特性，需要研究很多技术指标，本文主要对锂动力电池的电压一致性、荷电状态（SOC）的测试情况进行分析评估。

2.1 电压一致性

利用电动汽车动力电池数据采集系统，对锂电池组各单体电池放电过程中电压变化情况进行统计，放电单体电压变化曲线如图 1所示。其中，单条曲线为某一时刻所有单体电池的电压值。

从图 1可以看出，电池组在初始放电阶段，各单体电池的电压水平基本一致，但随着锂电池放电深度的增加（即使用时间的延长），各单体电池电压均有所下降，而且各单体电压的降低程度有很大的区别，各单体电池的电压不一致性越来越大。

标准《QC/T 743-2006 电动汽车用锂离子蓄电池》给出的电池标准差计算方法，可描述动力电池组电压的一致性。具体计算公式如下：

(1)

(2)

式中n—电池总个数；

U_i—第i个电池电压；

U_av—电池组平均电压；

σ—标准差，其值大小直接反映了各单体电压相对于平均电压的离散程度。

根据以上公式，利用该电池组2013年和2016年的放电数据，计算得到该电池组在一段时间中的标准差σ值，进行电压均衡度对比，如图 2所示。可以看出，同一锂电池组在使用3 a后，各单体电池电压的不一致性明显增加。随着电池使用时间（放电次数）的增加，放电深度越大则电池组平均电压的离散程度就越高，电压不一致性则越大。

其主要原因是电池组中并联电池在互充电过程中存在能量损耗而不对外输出。若低压电池和正常电压的电池一起使用，将成为电池组的负载，所以在电池组电压不一致性明显增大的放电阶段，继续行车则会造成低容量电池过度放电，进而影响电池组的整体使用寿命^[4]。

2.2 电池荷电状态（SOC）评估

电池的荷电状态（SOC）被用来反映电池的剩余容量状况，是动力电池重要的技术参数，电池组的SOC与许多因素相关且具有很强的非线性，目前主要的测量方法有:电流积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法和神经网络法等^[5]。

相关研究表明，常温下利用小电流恒流充电的试验方法得到的电压与SOC关系可近似等效为开路电压与SOC关系。图 3为利用小电流恒流充电方法得到的电池组电压和电池SOC 值的关系曲线。以电动汽车动力电池数据采集系统中相关数据为基础，利用小电流恒流充电方法，对放电倍率及环境温度对SOC的影响进行研究。

2.2.1 放电倍率对SOC评估的影响

电动汽车在实际运行中充放电电流一般在1 C以下，因此对动力电池的SOC评估也重点考虑小倍率电流放电的情况。不同电流倍率的电池放电曲线如图 4所示。从图中发现，电压与SOC对应关系的变化趋势没有发生根本改变，这与锂动子电池本身的材料特性有关。放电容量呈现衰减趋势，电流倍率增大，整体电压水平略有所降低，因此，放电倍率对SOC评估没有造成很大影响。

2.2.2 温度对SOC评估的影响

图 5 给出了温度分别为-20 ℃、0 ℃、25 ℃和55 ℃时开路电压法得出的放电曲线。可以看出随着温度降低，整体电压水平也随之降低，放电容量呈现衰减趋势，同时电压和SOC关系曲线的变化趋势也发生了改变。

冬季低温条件下，电池整体的电压水平相对较低，而电压的离散程度却相对较高，电压不一致性增大。同时，在大电流放电时，电池的均衡度水平低、电压水平大幅度下降。图 6、图 7分别为不同环境温度下，电动汽车运行时锂电池的放电曲线及电压均衡度。

综上所述，环境温度低是电动汽车运行时，系统显示的SOC值与电池实际荷电状态不一致的主要原因。因此，对行驶中电动汽车的动力电池进行SOC评估时，需着重考虑环境温度的影响。行驶中电动汽车的动力电池充放电电流值是极不稳定的，较大的放电电流会直接影响电池的放电效率，经常在大电流下放电运行将会大幅缩短动力电池的使用寿命。另外，低温环境可影响电池内部的介质活性，降低电池放电效率^[6-8]。

因此，对低温环境运行下的电动汽车动力电池进行SOC评估时，应重点参考不同温度下的放电曲线，从而对SOC值进行修正。

3 结论

本文结合电动汽车动力电池运行数据，利用动力电池性能测量方法，考虑实际运行状态下温度、放电深度、使用时间、放电倍率等对动力电池的影响，对电压一致性和电池SOC进行评估分析，得出以下结论：

（1） 随着放电深度和使用时间的增加，电池组的电压不一致性增大，表明电池容量状态的不一致性越来越大，电池老化程度逐渐加剧。

（2） 放电倍率和环境温度是影响SOC评估的主要因素放电倍率增大、温度降低，放电容量呈现衰减趋势，整体电压水平降低幅度不大，温度降低对SOC的影响较大。

（3） 电动汽车运行时，动力电池应尽量避免大电流放电，同时在低温运行时应参考实际放电曲线，及时对SOC值进行修正，以防止断电故障的发生。