鋰電池不一致性對PACK的危害及如何應對的措施
來源：寶鄂實業(yè)
2019-05-05 14:25
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鋰電池不一致性對PACK的危害及如何應對措施
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?nèi)粘５慕?jīng)驗是，兩節(jié)干電池，正負極連接起來，手電筒就能發(fā)光，有誰管它一致不一致的事情。而鋰電池的大規(guī)模應用，情形卻并非如此簡單。
鋰電池參數(shù)的不一致主要是指容量、內(nèi)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(xiàn)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”，最差的那顆電芯的容量決定整個電池組的能力。
為了防止電池過充過放，電池管理系統(tǒng)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(lián)舉例。一只電池容量1C，另外一只容量只有0.9C。串聯(lián)關系，兩只電池通過同樣大小的電流。
充電時，容量小的電池必然先充滿，達到充電截止條件，系統(tǒng)不再繼續(xù)充電。放電時，容量小的電池也必然先放光全部可用能量，系統(tǒng)即刻停止放電。
這樣，容量小的電芯始終在滿充滿放，容量大的電芯卻一直使用部分容量。整個電池組的容量總有一部分處于閑置狀態(tài)
2）壽命損失，類似的，電池組的壽命，由壽命最短的那顆電芯決定。很大可能性，壽命最短的電芯，就是那顆容量小的電芯。小容量電芯，每次都是滿充滿放，出力過猛，很大可能最先到達壽命的重點。一直電芯壽命終結，一組焊接在一起的電芯，也就跟著壽終正寢。
3）內(nèi)阻增大，不同的內(nèi)阻，流過相同的電流，內(nèi)阻大的電芯發(fā)熱量相對比較多。電池溫度過高，造成劣化速度加快，內(nèi)阻又會進一步升高。內(nèi)阻和溫升，形成一對負反饋，使高內(nèi)阻電芯加速劣化。
上面三個參數(shù)，并不完全獨立，老化程度深的電芯內(nèi)阻比較大，容量衰減也更多。分開說明，只是想表述清楚它們各自的影響方向。
鋰電池不一致性對PACK的危害及如何應對措施
如何應對不一致性
電芯性能的不一致，都是在生產(chǎn)過程中形成，在使用過程中加深。同一個電池組內(nèi)的電芯，弱者恒弱，且加速變?nèi)酢误w電芯之間參數(shù)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(xiàn)少量不一致時電池管理系統(tǒng)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(jīng)過篩選，把參數(shù)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(shù)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(tài)分選和動態(tài)分選兩大類。
靜態(tài)分選，針對電芯的開路電壓，內(nèi)阻，容量等特性參數(shù)進行篩選，選取目標參數(shù)，引入統(tǒng)計算法，設定篩選標準，最后將同一批次的電芯區(qū)分成若干組。
動態(tài)篩選，是針對電芯在充放電過程中表現(xiàn)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(tài)篩選做初步分組，在此基礎上進行動態(tài)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(xiàn)了一把動力鋰電池生產(chǎn)規(guī)模的重要性。大規(guī)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(chǎn)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(nèi)阻不一致電芯，產(chǎn)生熱量不相同問題。熱管理系統(tǒng)的加入，可以調(diào)節(jié)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(xiàn)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，最先到達控制閾值，導致整個系統(tǒng)容量變小。為了解決這個問題，電池管理系統(tǒng)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(zhuǎn)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。
直到現(xiàn)在，電芯的不一致性，仍然是行業(yè)內(nèi)研究的重要領域。電芯能量密度再高，遇到不一致性來攪局，電池包能力也會大打折扣。
電芯設計表是做電芯產(chǎn)品開發(fā)材料開發(fā)工程師的必備工具之一。設計表格式往往每個公司都不同，甚至一個公司內(nèi)都有許多種設計表，但是其核心都是一樣的。即使沒有前人的口傳心授，一些僅僅是拿到設計表的同學仍可以靠自己的思考把公式都琢磨得很透徹。本人理解的設計表是三大方程組成：容量方程，體積方程，N/P比方程。其中容量和體積是由顧客定義或者是由過程定義。N/P比方程解釋如下：
N/P比的定義
N/P比（Negative/Positive）是在同一階段內(nèi)，同一條件下，正對面的負極容量超正極容量的余量,其實也有另外一種說法叫CB（cellBalance）。
N/P計算公式：
N/P=負極活性物質(zhì)克容量×負極面密度×負極活性物含量比÷（正極活性物質(zhì)克容量×正極面密度×正極活性物含量比）。
同一階段：鋰電池充放電有兩個階段，對應不同的克容量，一個是首次充電階段，一個是放電階段，分別對應（首次）充電N/P比和放電N/P比。
我們知道鋰電材料存在首效，就是首次（庫倫）效率，即第一次充放電容量比值。在首充的過程中，材料表面形成SEI膜，材料的缺陷位置被反應掉，材料中的雜質(zhì)也被反應掉等等，造成首次充電容量>首次放電容量>老化后放電容量。雖然經(jīng)過老化以及以后的充放電循環(huán)，放電容量仍有衰減，但是大量反應已經(jīng)在前期完成。兩個階段的克容量存在差異，一個是首充克容量，一個是乘以首效后的克容量，混用的話會造成設計的失效。
同一條件：同一條件也是與克容量計算相關。這個條件指的是同一測試條件，如溫度，倍率，電壓范圍等。如果正負極克容量測試的條件不同，用到同一個公式內(nèi)，同樣會導致設計失效。
正對面：我們要用面密度計算，就是正對的含義。但是如果極片形狀存在彎曲的變形呢？也就是外圈收縮，內(nèi)圈舒展的情況，我們要用曲率去修正面密度的數(shù)值，這也就是為什么圓柱形狀電池在涂布過程中存在陰陽面的情況。
設計N/P比時應考慮因素
設計因素
第一、首效：是要考慮所有存在反應的物質(zhì)，包括導電劑，粘接劑，集流體，隔膜，電解液。但是我們在材料供應商處得到的克容量數(shù)據(jù)往往只考察活性物質(zhì)的半電克容量，這就是為什么實際的全電池克容量與設計克容量存在差異。
第二、裝配工藝：圓柱電池與方形電池N/P比設計就存在差異，主要是由正負極片接觸的松緊程度造成的。我們將粉體與集流體的組合同樣認為是裝配，粉體與集流體直接的接觸情況，粉體之間的接觸情況，也是影響克容量，從而影響N/P比的因素之一。
第三、化成工藝：化成工藝不同，對于N/P比同樣存在影響?；晒に囈彩峭ㄟ^影響首效，進而影響克容量發(fā)揮。因此我們在進行N/P比設計的時候，化成工藝也應討論進去。具體化成工藝會有哪些影響，將在后續(xù)的文章中陸續(xù)說明。
