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鋰電池不一致性的危害及如何應對

时间:2022-09-12     【转载】

  動力鋰電池,已經穩穩占據了電動汽車電源江湖老大的地位。使用壽命長,能量密度高,還較具改進潛力。安全性可以改,能量密度可以繼續上升。在可預見的時間里(傳說大約2020年左右)就可以趕上燃油車的續航能力和性價比,步入電動汽車的第一個成熟階段。然而鋰電池也有鋰電池的煩惱。


  為什么鋰電池多數都是小個子


  我們看到的鋰電池,圓柱電池,軟包電池、方形電池,一般都長相清秀,完全找不到傳統鉛酸電池那樣的大塊頭,這是為什么?


  能量密度高,鋰電池往往不敢設計成大容量。鉛酸電池的能量密度在40Wh/kg左右,而鋰電池,已經超過150Wh/kg。能量集中度提高,對安全性的要求水漲船高。首先,單只能量過高的鋰電池,遇到意外,引發熱失控,電池內部急劇反應,短時間內,過多的能量無處釋放,是非常危險的。尤其在安全技術,管控能力發展還不夠充分的時候,每只電池的容量都應該克制。其次,被鋰電池殼體包裹起來的能量,一旦出現意外,消防員、滅火劑無法觸及、無能為力,只能在發生事故時隔離現場,任事故電池自行反應,能量燃盡為止。當然,出于安全考慮,當前的鋰電池已經設計了多重安全手段,比如安全閥、熱敏電阻、熔斷器等。


   鋰電池一致性問題 


  鋰電池不能做成一大只,只好把眾多小電芯組織起來,大家勁往一處使,精誠合作,也能帶著電動汽車飛起。這時候,就需要面對一個問題,一致性。


  我們日常的經驗是,兩節干電池,正負極連接起來,手電筒就能發光,有誰管它一致不一致的事情。而鋰電池的大規模應用,情形卻并非如此簡單。鋰電池參數的不一致主要是指容量、內阻、開路電壓的不一致。不一致的電芯串并在一起使用,會出現如下問題。


  1)容量損失,電芯單體組成電池組,容量符合“木桶原理”,較差的那顆電芯的容量決定整個電池組的能力;


  2)壽命損失,類似的,電池組的壽命,由壽命較短的那顆電芯決定;3)內阻擴大,不同的內阻,流過相同的電流,內阻大的電芯發熱量相對比較多,電池溫度過高,造成劣化速度加快,內阻又會進一步升高。內阻和溫升,形成一對負反饋,使高內阻電芯加速劣化;


  上面三個參數,并不完全獨立,老化程度深的電芯內阻比較大,容量衰減也更多。


  提問


  如何應對不一致性


  電芯性能的不一致,都是在生產過程中形成,在使用過程中加深。同一個電池組內的電芯,弱者恒弱,且加速變弱。單體電芯之間參數的離散程度,隨著老化程度的加深而加大。


  當前,工程師應對單體電芯不一致,主要從三個方面考慮。單體電池分選,成組后熱管理,出現少量不一致時電池管理系統提供均衡功能。


  1)分選:不同批次的電芯,理論上不放在一起使用。即使相同批次的電芯,也需要經過篩選,把參數相對集中的電芯放在一個電池組里,同一個電池包里。分選的目的,是把參數相近的電芯挑選出來。分選方法,被研究了很多年,主要分靜態分選和動態分選兩大類。靜態分選,針對電芯的開路電壓,內阻,容量等特性參數進行篩選,選取目標參數,引入統計算法,設定篩選標準,較后將同一批次的電芯區分成若干組。動態篩選,是針對電芯在充放電過程中表現出來的特性進行篩選,有的選擇恒流恒壓充電過程,有的選取脈沖沖擊充放電過程,有的對比自身的充電和放電曲線之間的關系。動靜結合分選,用靜態篩選做初步分組,在此基礎上進行動態篩選,這樣劃分出來的組別更多,篩選準確性更高,但成本也會相應上升。這里就小小體現了一把動力鋰電池生產規模的重要性。大規模出貨,使得廠家可以進行更精細的分選,得到性能更接近的電池組。如果產量太小,分組過多,一個批次都無法裝備一個電池包,再好的方法也無法施展了。


  2)熱管理:針對內阻不一致電芯,產生熱量不相同問題。熱管理系統的加入,可以調節整個電池組的溫差,使之保持在一個較小的范圍里。生成熱量較多的電芯,依然溫升偏高,但不會與其他電芯拉開差距,劣化水平就不會出現明顯的差距。


  3)均衡:電芯單體的不一致,某些電芯端電壓,總是超前于其他電芯,較先到達控制閾值,導致整個系統容量變小。為了解決這個問題,電池管理系統BMS設計了均衡功能。某一顆電芯率先到達充電截止電壓,而其余眾電芯電壓明顯滯后,BMS起動充電均衡功能,或者接入電阻,放掉高電壓電芯的部分電量,或者把能量轉移走,放到低電壓電芯上去。這樣,充電截止條件被解除,充電過程重新開始,電池包充入更多電量。


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