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锂电池组电芯一致性为什么那么重要?

锂电池不能做成一大只,只好把众多小电芯组织起来,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。而锂电池的大规模应用,情形却并非如此简单。

军用锂电池

锂电池参数的不一致主要是指容量、内阻、开路电压的不一致。不一致的电芯串并在一起使用,会出现如下问题:

1、容量损失。电芯单体组成电池组,容量符合“木桶原理”,最差的那颗电芯的容量决定整个电池组的能力。

为了防止电池过充过放,电池管理系统的逻辑如此设置:放电时,当最低的单体电压达到放电截止电压时,整个电池组停止放电;充电时,当最高单体电压触及充电截止电压时,停止充电。

拿两只电池串联举例。一只电池容量1C,另外一只容量只有0。9C。串联关系,两只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,容量小的电池也必然先放光全部可用能量,系统即刻停止放电。这样,容量小的电芯始终在满充满放,容量大的电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,由寿命最短的那颗电芯决定。很大可能性,寿命最短的电芯,就是那颗容量小的电芯。小容量电芯,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。一直电芯寿命终结,一组焊接在一起的电芯,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,内阻大的电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,使高内阻电芯加速劣化。

上面三个参数,并不完全独立,老化程度深的电芯内阻比较大,容量衰减也更多。

分开说明,只是想表述清楚它们各自的影响方向。

如何应对不一致性:

电芯性能的不一致,都是在生产过程中形成,在使用过程中加深。同一个电池组内的电芯,弱者恒弱,且加速变弱。单体电芯之间参数的离散程度,随着老化程度的加深而加大。

当前,工程师应对单体电芯不一致,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、分选

不同批次的电芯,理论上不放在一起使用。即使相同批次的电芯,也需要经过筛选,把参数相对集中的电芯放在一个电池组里,同一个电池包里。

分选的目的,是把参数相近的电芯挑选出来。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。针对电芯的开路电压,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,最后将同一批次的电芯区分成若干组。

②动态筛选。是针对电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动静结合分选。用静态筛选做初步分组,在此基础上进行动态筛选,这样划分出来的组别更多,筛选准确性更高,但成本也会相应上升。

这里就小小体现了一把动力锂电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、热管理

针对内阻不一致电芯,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。生成热量较多的电芯,依然温升偏高,但不会与其他电芯拉开差距,劣化水平就不会出现明显的差距。

3、均衡

电芯单体的不一致,某些电芯端电压,总是超前于其他电芯,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。

某一颗电芯率先到达充电截止电压,而其余众电芯电压明显滞后,BMS起动充电均衡功能,或者接入电阻,放掉高电压电芯的部分电量,或者把能量转移走,放到低电压电芯上去。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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