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秒懂锂电池不一致性的危害
2021.03.25

动力锂电池已经稳定地占据了电动汽车电源江湖的领导地位。寿命长,能量密度高,有改善潜力。安全性可以改变,能量密度可以继续上升。在预见的时间(传说约2020年)可以赶上燃料车的耐久性和性价比,进入电动汽车的第一个成熟阶段。

1为什么大多数锂电池都很小?

为什么我们看到的锂电池、圆柱电池、软包电池、方形电池一般都很漂亮,找不到像传统铅电池那样的大块?

能量密度高,锂电池往往不敢设计成大容量。铅电池的能量密度约为40Wh/kg,锂电池已超过150Wh/kg。能量集中度提高,安全性要求提高。

首先,单能量过高的锂电池,遇到意外,引起热失控,电池内部急剧反应,短时间内,过多的能量无处释放,非常危险。特别是在安全技术、管理能力发展不足的情况下,每个电池的容量都必须控制。

其次,被锂电池外壳包裹的能量,发生事故时,消防员、灭火剂无法接触,无能为力,发生事故时只能隔离现场,事故电池自己反应,能量燃烧。

带安全阀的圆柱锂电池。

当然,出于安全考虑,目前锂电池设计了多种安全手段。以圆柱电池为例。

安全阀,电池内部反应超过正常范围,温度上升,伴随副反应气体的生成,压力达到设计值时,安全阀自动打开,释放压力。安全阀打开时,电池完全无效。

热敏电阻,一些核心配置热敏电阻,一旦过流,电阻达到某个温度后,电阻值急剧增加,电路电流下降,阻止温度进一步上升。

保险丝、电心配备具有过流保险丝,出现过流风险时,电路断裂,避免恶性事故。

2锂电池一致性问题。

锂电池不能大,只好组织许多小核心,大家用力,诚实合作,也可以带电动汽车飞。此时,有必要面对一个问题和一致性。

为什么要一致呢?

我们的日常经验是,两个干电池,正负极连接,手电筒就会发光,有人管它不一致。锂电池的大规模应用并不那么简单。

锂电池参数不一致主要是指容量、内阻、开路电压不一致。不一致的电心串一起使用的话,会发生以下问题。

1)容量损失、核心单体构成电池组,容量符合桶原理,差的核心容量决定了整个电池组的能力。

为了防止电池过度放电,电池管理系统的逻辑设定为放电时,低单体电压达到放电停止电压时,整个电池组停止放电的充电时,高单体电压接触充电停止电压时停止充电。

以两个电池串联为例。一个电池容量c,另一个容量只有0.9C。串联关系,两个电池通过同样大小的电流。

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,容量小的电池也必须先放光所有能量,系统立即停止放电。

这样,容量小的核心总是充满,但容量大的核心总是使用一部分容量。整个电池组的容量总是处于闲置状态。

2)寿命损失,类似的,电池组的寿命由寿命短的电芯决定。很可能,寿命短的核心是容量小的核心。小容量芯,每次都充满,力量过猛,很可能首先达到寿命的重点。电芯的寿命一直结束,焊接在一起的电芯,也就是寿命一直睡着。

3)内阻增大,不同内阻流过相同的电流,内阻大的核心发热量相对较大。电池温度过高,劣化速度加快,内阻进一步上升。内阻和温度上升,形成一对负反馈,加速高内阻芯老化。

上述三个参数不完全独立,老化程度深的核心内阻大,容量衰减也多。分开说明,只是想明确各自的影响方向。

3如何应对不一致性。

电芯性能的不一致是在生产过程中形成的,在使用过程中加深的。同一电池组内的电芯,弱者恒弱,加速弱。单体核心间参数的分散程度随着老化程度的加深而增加。

目前,工程师应对单体核心不一致,主要从三个方面考虑。单体电池分选、组成后热管理、少量不一致时电池管理系统提供平衡功能。

3.1分选。

不同批次的电芯理论上不一起使用。即使是同一批次的电芯,也需要经过筛选,将参数相对集中的电芯放入一个电池组,同一个电池包。

筛选的目的是选择参数相似的核心。筛选方法经过多年的研究,主要分为静态筛选和动态筛选两类。

静态筛选,筛选核心开路电压、内阻、容量等特性参数,选择目标参数,引入统计算法,设定筛选标准,将同一批次的核心区分为几组。

动态筛选是筛选核心在充放电过程中表现的特性,选择恒流恒压充电过程,选择脉冲冲击充放电过程,比较自己的充电和放电曲线的关系。

动静结合筛选,以静态筛选为初步分组,在此基础上进行动态筛选,这样划分的分组更多,筛选精度更高,但成本也相应上升。

这里体现了动力锂电池生产规模的重要性。大规模发货,制造商可以进行更细致的筛选,获得性能更接近的电池组。产量过小,分组过多,一批电池包不能装备,更好的方法也不能展开。

3.2热管理。

对于内阻不一致的核心,发生热量不同的问题。热管理系统的加入可以调节整个电池组的温差,保持在较小的范围内。生成热量多的核心,依然温度上升,但与其他核心没有差别,劣化水平没有明显差别。

3.3均衡。

电芯单体的不一致,一些电芯终端的电压总是超过其他电芯,先到控制阈值,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。

某个核心首先到达充电阻止电压,其馀核心电压明显滞后,BMS启动充电平衡功能,接入电阻,释放高压核心的一部分电量,转移能量,放入低压核心。这样就解除了充电截止条件,重新开始充电过程,电池包充电更多。

到目前为止,核心的不一致性仍然是业内研究的重要领域。如果核心能量密度更高,遇到不一致性,电池包的能力也会大幅度降低。