锂電池組電芯一致性爲什麽那麽重要?
锂電池不能做成一大只,只好把众多小電芯组织起来,大家劲往一处使,精诚合作,也能带着电动汽车飞起。这时候,就需要面对一个问题,一致性。我们日常的经验是,两节干电池,正负极连接起来,手电筒就能发光,有谁管它一致不一致的事情。而锂電池的大规模应用,情形却并非如此简单。

锂電池参数的不一致主要是指容量、内阻、开路电压的不一致。不一致的電芯串並在一起使用,會出現如下問題:
1、容量损失。電芯单体组成电池组,容量符合“木桶原理”,最差的那颗電芯的容量决定整个电池组的能力。
爲了防止電池過充過放,電池管理系統的邏輯如此設置:放電時,當最低的單體電壓達到放電截止電壓時,整個電池組停止放電;充電時,當最高單體電壓觸及充電截止電壓時,停止充電。
拿兩只電池串聯舉例。一只電池容量1C,另外一只容量只有0.9C。串聯關系,兩只電池通過同樣大小的電流。
充电时,容量小的电池必然先充满,达到充电截止条件,系统不再继续充电。放电时,容量小的电池也必然先放光全部可用能量,系统即刻停止放电。这样,容量小的電芯始终在满充满放,容量大的電芯却一直使用部分容量。整个电池组的容量总有一部分处于闲置状态
2、寿命损失。类似的,电池组的寿命,由寿命最短的那颗電芯决定。很大可能性,寿命最短的電芯,就是那颗容量小的電芯。小容量電芯,每次都是满充满放,出力过猛,很大可能最先到达寿命的重点。一直電芯寿命终结,一组焊接在一起的電芯,也就跟着寿终正寝。
3、内阻增大。不同的内阻,流过相同的电流,内阻大的電芯发热量相对比较多。电池温度过高,造成劣化速度加快,内阻又会进一步升高。内阻和温升,形成一对负反馈,使高内阻電芯加速劣化。
上面三个参数,并不完全独立,老化程度深的電芯内阻比较大,容量衰减也更多。
分開說明,只是想表述清楚它們各自的影響方向。
如何應對不一致性:
電芯性能的不一致,都是在生产过程中形成,在使用过程中加深。同一个电池组内的電芯,弱者恒弱,且加速变弱。单体電芯之间参数的离散程度,随着老化程度的加深而加大。
当前,工程师应对单体電芯不一致,主要从三个方面考虑。单体电池分选,成组后热管理,出现少量不一致时电池管理系统提供均衡功能。
1、分選
不同批次的電芯,理论上不放在一起使用。即使相同批次的電芯,也需要经过筛选,把参数相对集中的電芯放在一个电池组里,同一个电池包里。
分选的目的,是把参数相近的電芯挑选出来。分选方法,被研究了很多年,主要分静态分选和动态分选两大类。
①静态分选。针对電芯的开路电压,内阻,容量等特性参数进行筛选,选取目标参数,引入统计算法,设定筛选标准,最后将同一批次的電芯区分成若干组。
②动态筛选。是针对電芯在充放电过程中表现出来的特性进行筛选,有的选择恒流恒压充电过程,有的选取脉冲冲击充放电过程,有的对比自身的充电和放电曲线之间的关系。
③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,篩選准確性更高,但成本也會相應上升。
这里就小小体现了一把动力锂電池生产规模的重要性。大规模出货,使得厂家可以进行更精细的分选,得到性能更接近的电池组。如果产量太小,分组过多,一个批次都无法装备一个电池包,再好的方法也无法施展了。
2、熱管理
针对内阻不一致電芯,产生热量不相同问题。热管理系统的加入,可以调节整个电池组的温差,使之保持在一个较小的范围里。生成热量较多的電芯,依然温升偏高,但不会与其他電芯拉开差距,劣化水平就不会出现明显的差距。
3、均衡
電芯单体的不一致,某些電芯端电压,总是超前于其他電芯,最先到达控制阑值,导致整个系统容量变小。为了解决这个问题,电池管理系统BMS设计了均衡功能。
某一颗電芯率先到达充电截止电压,而其余众電芯电压明显滞后,BMS起动充电均衡功能,或者接入电阻,放掉高电压電芯的部分电量,或者把能量转移走,放到低电压電芯上去。这样,充电截止条件被解除,充电过程重新开始,电池包充入更多电量。
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