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终于搞明白!锂离子电池不一致性成因及配组方



  作为电动汽车的动力电源使用时,由于高功率、大容量的要求,单体锂离子电池并不能满足要求,所以需要对锂离子电池进行串、并联组合使用。

  然而,单体电池之间的不一致性常常造成电池组在循环过程中出现容量衰减过快、寿命较短等问题。选择性能尽可能一致的电池用来成组,对锂离子电池在动力电池中的推广应用具有重要意义。

  锂离子电池组的不一致性就是指同一规格型号的单体电池组成电池组后,其电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数存在一定的差别。

  单体电池在制造出来后,初始性能本身存在一定差异。随着电池的使用,这些性能差异不断累积,同时由于各单体电池在电池组内的使用环境不完全相同,也导致了单体电池的不一致性逐步放大,从而加速电池性能衰减,并最终引发电池组过早失效。

  锂离子电池不一致性主要表现在两个方面:电池单体性能参数(电池容量、内阻和自放电率等)的差异和电池荷电状态(SOC)的差异。

  戴海峰等研究发现,电池单体之间容量的差异分布接近威尔分布,而内阻的离散程度较容量更为显著,且同批次电池的内阻一般满足正态分布的规律,自放电率也呈现近似正态分布。SOC表征着电池的荷电状态,是电池剩余容量与额定容量的比值,解竞等认为由于电池的不一致性,电池的容量衰减速率不同,导致电池间的最大可用容量存在差异。容量小的电池的SOC变化速率比容量大的电池快,充放电时更快达到截止电压。

  锂离子电池出现不一致性问题的原因很多,主要是在制造过程和使用过程中产生的。制造过程的每个环节例如配料时浆料的均匀度、涂布时面密度及表面张力的控制等都会造成单体电池性能的差异。

  罗雨等研究了锂离子电池生产制造工艺对电池一致性的影响,重点研究了水性粘结剂体系的锂离子电池生产制片工艺对电池一致性的影响。在电池的使用过程中,谢皎等认为连接方式和结构件/器件、使用工况和环境都会给电池组一致性带来影响。因为每个连接点所消耗的能量不一致,每个元器件或结构件的性能以及老化速率等也都不一致,因此对电池的影响也不一致。另外,由于电池中每个单体电池所处位置不同,温度不同,性能衰减也不同,这些都会使单体电池的不一致得到放大。

  生产过程的控制主要从原材料和生产工艺两方面进行。原材料方面尽量选取同一批次 的原材料,保证原材料颗粒大小、性能的一致性。生产工艺上要对整个生产过程进行严格的调控,例如保证浆料搅拌均匀、不长时间放置,控制涂布机的走速保证涂布的厚度、均匀度,极片外观检查、称重分档,控制注液量及化成、分容、储存条件等。

  罗雨通过对锂离子电池制备工艺技术的研究,确定了对锂离子电池一致性有重大影响的关键工艺,主要包括配料搅拌、涂布、辊压、卷绕/叠片、注液和化成,并对各关键工艺参数与电池性能的关系做了深入研究分析。

  配组过程的控制主要是指对电池进行分选,电池组采用统一规格、型号的电池,并且要对电池的电压、容量、内阻等进行测定,保证电池初始性能的一致性。

  许海涛等通过研究,发现在电池组配组时,单体电池的电压差异是影响电池组充放电末期各单体电池的一致性重要因素,而单体电池的内阻差异则造成了电池组充放电过程中各单体电池的电压平台出现较大差别。王琳霞等通过对锂离子串并联组合电池中单体电芯的不一致性研究,分析并联电池组中的主要影响因素DCR对电池组造成的影响程度和串联电池组的主要影响因素容量对电池组造成的影响程度,为组合电池包提供必要的依据。陈萍等通过放电倍率对电池配组一致性的影响研究发现随着放电倍率的增大,电池的不一致性得到了放大,达到剔除不良电池的效果。

  对电池进行实时监控。配组时对电池进行一致性筛选,可保证在电池组使用初期的一致性。在使用过程中对电池进行实时监控,可实时观察到使用过程中的一致性问题,但由于当一致性差时,监测电路会切断充放电电路,因而性能会降低。必须找到二者之间的平衡点。也可以通过实时监控对极端参数电池进行及时调整或者更换,保证电池组的不一致性不会随时间而扩大。

  引入均衡管理系统。采用适当的均衡策略和均衡电路对电池进行智能管理。目前常见的均衡策略包括基于外电压的均衡策略、基于SOC的均衡策略和基于容量的均衡策略。而均衡电路按能量消耗方式可以分为被动均衡和主动均衡。其中主动均衡能够 实现电池间的无损能量流动,是国内外研究的热点。主动均衡中常用的方法有电池旁路法、开关电容法、开关电感法、DC/DC变换法等。

  对电池进行热管理。对电池进行热管理除了尽量将电池组的工作温度保持在最优的范 围之内,还要尽量保证电池之间温度条件的一致,从而有效的保证各电池之间的性能一致性。采用合理的控制策略。在输出功率允许的情况下,尽量减小电池放电深度,同时,避免电池的过充电,可延长电池组的循环寿命。加强对电池组的维护。间隔一定时间对电池组进行小电流维护性充电,还要注意清洁。

  电压配组法可分为静态电压配组法和动态电压配组法。静态电压配组法又叫做空载配组法,不带负载,只考虑电池本身,测量被筛选单体电池在静置数十天后满电荷状态贮存的自放电率以及满电荷状态下不同贮存期内电池的开路电压,此方法操作最简单,但不准确。动态电压配组法考察带负载时的电压情况,但没有考虑到负载变化等因素,因此也不准确 。

  在设定的条件下对电池进行充放电,由放电电流和放电时间来计算容量,按容量大小对电池进行配组。这种方法简便易行,但它只能反映电池在特定条件容量相同,不能说明电池的完整工作特性,有一定的局限性。

  主要考虑单体电池的内阻,这种方法能够实现快速测量,但是因为电池的内阻会随放电过程的进行而改变,要进行内阻的准确测定有一定的难度。

  同时考虑容量、内阻、电压、自放电率等多个外部条件对电池综合评定,可以分选出一致性较好的电池组。但这种方法的前提是单参数分选时要准确,同时耗时过长。

  动态特性配组法是利用电池的充放电特性曲线来分选电池进行配组。充放电曲线能够体现电池的大部分特性,利用动态特性配组法能够保证电池各种性能指标的一致性。动态特性配组法数据多,通常采用计算机程序配合实现。此外,这种方法电池的配组利用率降低,不利于电池组成本的降低。标准曲线或基准曲线的确定也是其实施过程中的难点。

  (2)提高电池一致性的措施主要有以下三方面:从原材料和生产工艺两方面对生产过程进行的严格控制;采用更科学的分选办法,尽可能选择初始性能一致的电池进行配组;在电池使用和维护过程中,对电池进行实时监控,引入均衡管理系统,采用合理的控制策略,对电池进行热管理,同时还要加强对电池组的维护。

  (3) 电池配组时,单参数配组法由于考虑的因素太少,不具有实际应用价值。多参数配组法和动态特性配组法相对较全面,另外电化学抗谱法等方法也取得了一定进展。

  参考文献:贾丰春,刘园.动力锂离子电池配组方案综述[J].广州化工,2015(10):38-39+51.返回搜狐,查看更多