提高電池的一致性關(guān)鍵在于什么、怎樣才能提高電池的一致性呢、
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-15 09:38
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The cathode materials of lithium-ion batteries are composed of three components, lithium iron phosphate, lithium cobalt oxide and lithium manganate, and the cathode materials are graphite, silicon and lithium titanate. The same batch of raw materials is very important for the consistency of battery performance. In the production process, it is necessary to strictly control the size distribution, specific surface area and impurity content of raw materials to ensure the batch consistency of raw materials.
Production Technology of Lithium Ion Battery
Battery production process consists of several processes, each process may affect the consistency of the battery. In order to achieve the same performance of production units, reasonable design and control of each process must be carried out to make it repeat in parallel. According to the performance requirements of batteries, the production process of batteries was designed, and the effects of raw materials, electrodes and electrolytes on the consistency of batteries were analyzed, so as to control the threshold of each process parameters reasonably. The production line reduces human intervention and automation can also improve the consistency of batteries.
2 sorting system
In order to reduce the adverse effects of initial state differences on battery packs, it is usually necessary to screen individual batteries and combine batteries with more consistent state parameters. Battery grouping methods mainly include single parameter grouping method, multi-parameter grouping method and dynamic characteristic curve grouping method. By comparing the difference of charge-discharge curves between different batteries at the same rate, the dynamic characteristic curve matching method can well reflect the characteristics of batteries, and the sorting effect is ideal.
3 Battery Outside Circuit
Series and Parallel Connection of Batteries
Connection mode of battery pack affects battery consistency. At present, there are two better connection modes: first, two identical batteries are connected in parallel as one module, then the modules are connected in series (PSB); first, two different batteries are connected in series as one module, and then the modules are connected in parallel (SPA).
Battery Management System
In order to improve the performance and service life of batteries, it is necessary to manage and maintain single batteries. Battery management system is an important guarantee for the normal operation of battery system. Its main task is to ensure the performance of battery pack, prevent battery damage, avoid safety accidents, make the battery work in suitable areas and prolong its life. BMS consists of sensors, actuators, controllers and signal lines. Its main functions include data acquisition, state estimation, charge and discharge control, balanced charging, heat management, safety management and data communication.
Although battery management technology has been widely used, it still needs to be improved, especially in the estimation of SOC and the accuracy of data acquisition, equalization circuit, battery fast charging and so on. Due to the different characteristics of different types of batteries, BMS suitable for all batteries is the main research direction at present.
Equilibrium control
In order to alleviate or even eliminate the inconsistency among the individual batteries in the battery pack and improve the performance, life and safety of the battery pack, the inconsistency of the battery pack can be effectively improved by balancing circuit and balancing control strategy.
Equilibrium circuit topology structure: The research of equalization circuit topology structure is mainly to design and improve the equalization circuit structure, improve the equalization efficiency and reduce costs. According to whether the equalization circuit consumes energy in the equalization process, it can be divided into energy-consuming equalization and non-energy-consuming equalization. Energy-consuming equalization circuit uses energy-consuming elements to consume the battery power with higher voltage in the battery pack, thus realizing the unity of single battery, simple circuit, fast equalization speed and high efficiency, but it will lead to low energy utilization rate of the battery pack; non-energy-consuming circuit uses energy storage elements and external equalization circuit to realize energy conversion between batteries. Shift, high energy efficiency, non-energy consumption balancing has switched capacitor type, converter type and transformer type.
Equilibrium control strategy: Equilibrium control strategy is to determine the mode of operation of the equalization module. At present, the working methods include maximum equilibrium method, average comparison method and fuzzy control method. The improvement of equalization capability is an important direction of battery consistency research. Equilibrium technology needs to be further improved, including:
(1) SOC is the most ideal criterion, and the accuracy of real-time estimation needs to be further improved; (2) optimizing the topology of the equalization circuit, improving the equalization speed and shortening the equalization time; (3) equalization control strategy also needs to be optimized to determine the optimal equalization parameters and find the appropriate equalization path according to the equalization circuit to achieve fast equalization. Purpose.
At present, the research of equalization control strategy mostly focuses on the design and implementation of equalization hardware circuit. But the equalization circuit parameters will affect the equalization effect. In addition, the state of charge, equalization threshold, charge-discharge current, the ratio of equalization current to charge-discharge current and the switching mode of charge-discharge conditions also affect the equalization effect.
4 Charging and Discharging Strategies
Scientific and reasonable charging and discharging strategies can improve the efficiency of battery energy utilization. At present, the best charging method of comprehensive performance is battery management system and charger coordinated charging in series. Through BMS monitoring the environment temperature of battery pack, voltage and current of single battery, consistency and temperature rise, data sharing with charger can be realized, real-time change of output current can prevent battery overcharging and optimization. Chemical charging. This charging method is the mainstream at present, which can eliminate the problems of poor consistency, low charging efficiency and inability to fully charge lithium battery packs to a certain extent.
5 Battery Thermal Management
The uneven distribution of heat production and heat dissipation of individual batteries in space will lead to the inconsistency of the temperature of the battery itself, part of the battery area and the environment. If not controlled, the temperature difference within the battery will continue to expand, thus accelerating the decline of battery performance. Therefore, heat pipes for batteries are needed.鋰離子電池的正極材料有三元材料、磷酸鐵鋰、鈷酸鋰和錳酸鋰等，負(fù)極材料有石墨、硅和鈦酸鋰等。同批次原材料對(duì)電池性能的一致性十分重要，在生產(chǎn)過程中，需要對(duì)原材料的粒徑分布、比表面積和雜質(zhì)含量等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，保證原材料的批次一致性。
鋰離子電池生產(chǎn)工藝
電池的生產(chǎn)工藝由多個(gè)工序組成，每個(gè)工序過程都可能會(huì)影響電池的一致性。生產(chǎn)單體性能要一致，必須對(duì)每一個(gè)工序進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和管控，使之平行重復(fù)。根據(jù)電池的性能要求設(shè)計(jì)電池生產(chǎn)工序，分析原材料、電極和電解液等參數(shù)對(duì)電池一致性的影響，從而合理控制各個(gè)工序參數(shù)的閾值。生產(chǎn)線減少人為干預(yù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化也能提高電池的一致性。
2 分選制度
為了降低初始狀態(tài)差異對(duì)電池組的不利影響，通常需要對(duì)單體電池進(jìn)行篩選，將狀態(tài)參數(shù)較為一致的電池組合在一起。電池成組方法主要有單參數(shù)配組法、多參數(shù)配組法和動(dòng)態(tài)特性曲線配組法。動(dòng)態(tài)特性曲線配組法通過比較同一倍率下不同電池間充放電曲線的差異，能夠很好地反映電池特性，分選效果理想。
3 電池組外電路
電池串并聯(lián)方式
電池組的連接方式影響電池一致性。目前有兩種較好的連接方式：先并聯(lián)兩個(gè)相同的電池為一個(gè)模塊，再將模塊串聯(lián)起來(PSB)；先串聯(lián)兩個(gè)不同的電池為一個(gè)模塊，再將模塊并聯(lián)起來(SPA)。
電池管理系統(tǒng)
為了提高電池的性能和使用壽命需要對(duì)單體電池進(jìn)行管理和維護(hù)。電池管理系統(tǒng)是電池系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要保障，主要任務(wù)是保證電池組的性能，防止電池?fù)p壞，避免安全事故，使電池在適宜的區(qū)域內(nèi)工作，延長壽命。BMS由傳感器、執(zhí)行器、控制器和信號(hào)線等部分組成，主要功能有：數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計(jì)、充放電控制、均衡充電、熱量管理、安全管理和數(shù)據(jù)通信等。
雖然電池管理技術(shù)已經(jīng)被廣泛運(yùn)用，但還需要繼續(xù)完善，尤其是在SOC的估算和數(shù)據(jù)采集精確度、均衡電路、電池快充等方面。由于不同類型的電池特性具有差異，適用于所有電池的BMS是目前的主要研究方向。
均衡控制
為了緩解甚至消除電池組中各單體電池間的不一致性，提高電池組的性能、壽命和安全性，通過均衡電路和均衡控制策略能夠有效地改善電池組的不一致性。
均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：均衡電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究主要是對(duì)均衡電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與改進(jìn)，提高均衡效率，降低成本。根據(jù)均衡電路在均衡過程中電路是否消耗能量可以分為能耗式均衡和非能耗式均衡。能耗式均衡電路采用耗能元件消耗電池組中電壓較高的電池電量，從而實(shí)現(xiàn)單體電池一致性，電路簡單，均衡速度快，效率高，但會(huì)導(dǎo)致電池組能量利用率不高；非能耗式電路利用儲(chǔ)能元件和均衡外電路來實(shí)現(xiàn)電池間的能量轉(zhuǎn)移，能量利用效率高，非能耗式均衡有開關(guān)電容式、變換器式和變壓器式。
均衡控制策略：均衡控制策略主要是確定均衡模塊的工作方式。目前，工作方式有最大值均衡法、平均值比較法和模糊控制法。均衡能力的提升是電池一致性研究的重要方向。均衡技術(shù)需進(jìn)一步提高，包括：
(1)SOC作為最理想的判斷標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)估測精度還需進(jìn)一步提高；(2)優(yōu)化均衡電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提升均衡速度，縮短均衡時(shí)間；(3)均衡控制策略還需要優(yōu)化，確定最佳的均衡參數(shù)，根據(jù)均衡電路尋找合適的均衡路徑來達(dá)到快速均衡的目的。
現(xiàn)階段均衡控制策略的研究大多聚焦于均衡硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。但均衡電路參數(shù)會(huì)影響均衡效果。另外，均衡啟動(dòng)時(shí)電池荷電狀態(tài)、均衡閾值、充放電電流、均衡電流與充放電電流比值以及充放電工況切換方式也會(huì)影響均衡效果。
4 充放電策略
科學(xué)、合理的充放電策略能夠提高電池能量利用效率。目前綜合性能最好的充電方法是電池管理系統(tǒng)和充電機(jī)協(xié)調(diào)配合串聯(lián)充電，通過BMS對(duì)電池組的環(huán)境溫度、單體電池的電壓和電流、一致性和溫升等狀態(tài)監(jiān)控，與充電機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，實(shí)時(shí)改變輸出電流，能夠防止電池過充和優(yōu)化充電。這種充電方式是目前的主流，可一定程度消除鋰電池組充電時(shí)一致性差、充電效率低和無法滿充等問題。
5 電池?zé)峁芾?/p>
電池組中各單體電池的產(chǎn)熱量和散熱量在空間上分布不均，會(huì)造成電池自身、電池組部分區(qū)域及所處環(huán)境的溫度不一致，如不加以控制，電池組內(nèi)部的溫差會(huì)持續(xù)擴(kuò)大，進(jìn)而加快電池性能衰降。因此，需要對(duì)電池組進(jìn)行熱管理。
熱管理系統(tǒng)通常要求結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕，易于包裝，可靠，成本低，易于維護(hù)。它的功能有：使電池在最適宜的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行；減小電池間、模組內(nèi)和模組間的溫度差。熱管理分主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。系統(tǒng)中使用導(dǎo)熱介質(zhì)可以分為三類，分別是空氣、液體和相變材料。
目前，電池組熱管理研究有局限性，比如電池?zé)崮Ｐ瓦^于簡化，電池單體常采用零維的生熱模型，電池各部分生熱率相同，缺少基于非均勻內(nèi)熱源對(duì)不同熱管理系統(tǒng)的性能對(duì)比。對(duì)鋰離子電池低溫特性研究及低溫?zé)峁芾砑夹g(shù)研究較少。リチウムイオン電池の正極材料は三元材料、リン酸鉄リチウム、コバルト酸リチウム、マンガン酸リチウムなどがあり、負(fù)極材料はグラファイト、シリコン、チタン酸リチウムなどがあります。同じロットの原材料は電池の性能の整合性が非常に重要であり、生産過程において、原材料の粒徑分布、表面積及び不純物含有量などのパラメータに対して厳格な制御を行い、原材料のロット整合性を確保する必要がある。
リチウムイオン電池生産プロセス
電池の生産工程は複數(shù)の工程で構(gòu)成されており、工程ごとに電池の整合性に影響を與える可能性があります。生産単體の性能を一致させるには、各工程に対して合理的な設(shè)計(jì)と管理を行い、平行に繰り返さなければならない。電池の性能要求に基づいて、電池の生産工程を設(shè)計(jì)し、原材料、電極、電解液などのパラメータが電池の整合性に及ぼす影響を分析し、各工程のパラメータの閾値を合理的に制御する。生産ラインは人為的な干渉を減らし、自動(dòng)化を?qū)g現(xiàn)しても電池の一貫性を高めることができます。
2選別制度
初期狀態(tài)の違いを低減するためには、電池群に悪影響を與えるために、通常は単量體電池をスクリーニングし、狀態(tài)パラメータの比較的一致した電池を組み合わせておく必要があります。電池のグループ化方法は主に単一パラメータの組み合わせ法、多パラメータの組み合わせ法と動(dòng)特性曲線の組み合わせ法があります。動(dòng)的特性曲線配合法は、同じ倍率で異なる電池間充放電曲線の違いを比較することにより、電池の特性をよく反映し、選別効果が理想的です。
3電池セット外回路
バッテリーシリアル方式
電池グループの接続方式は電池の整合性に影響します。現(xiàn)在は2つの比較的良い接続方式があります。まず同じ電池を一つのモジュールに並列接続して、モジュールを直列に接続します。まず二つの異なる電池を一つのモジュールに直列に接続してから、モジュールを並列に接続します。
バッテリ管理システム
電池の性能と壽命を向上させるためには、単體電池の管理と維持が必要です。電池管理システムは電池システムが正常に動(dòng)作するための重要な保障であり、主な任務(wù)は電池グループの性能を保証し、電池の損傷を防止し、安全事故を防止し、電池を適切なエリアで動(dòng)作させ、壽命を延ばすことである。BMSはセンサー、アクチュエータ、コントローラ、信號(hào)線などの部分から構(gòu)成されています。主な機(jī)能はデータ収集、狀態(tài)推定、充放電制御、均衡充電、熱量管理、安全管理、データ通信などです。
バッテリー管理技術(shù)は広く使われていますが、特にSOCの見積もりとデータ収集の精度、均衡回路、電池の充電などの面で引き続き改善が必要です。異なる種類の電池特性の違いにより，すべての電池に適したBMSが現(xiàn)在の主な研究方向である。
バランス制御
電池群の中の単量體電池間の不一致を緩和し、解消するために、電池群の性能、壽命、安全性を向上させ、バランス回路とバランス制御戦略により、電池群の不整合性を効果的に改善することができます。
平衡回路トポロジ構(gòu)造：平衡回路トポロジ構(gòu)造の研究は主に均衡回路構(gòu)造を設(shè)計(jì)し改善し、均衡効率を高め、コストを低減することである。平衡回路による平衡過程において回路がエネルギーを消費(fèi)するかどうかはエネルギー消費(fèi)式均衡と非消費(fèi)式均衡に分けることができる。エネルギー消費(fèi)式均衡回路はエネルギー消費(fèi)素子を採用して、電池群の中で電圧の高い電池の電気量を消費(fèi)して、単量體電池の整合性を?qū)g現(xiàn)します?；芈筏唴gで、バランスが速く、効率が高いです。しかし、電池群のエネルギー利用率が高くないことを招きます。非エネルギー消費(fèi)回路はエネルギー貯蔵素子と均等衡外部回路を利用して、電池間のエネルギー回転を?qū)g現(xiàn)します。エネルギーの利用効率が高く、非エネルギーの均衡にはスイッチ容量式、変換器式、変圧器式があります。
バランス制御戦略：バランス制御戦略は主に均衡モジュールの働き方を決定することである?，F(xiàn)在、作業(yè)方式は最大値均衡法、平均値比較法と曖昧制御法があります。バランス能力の向上は電池の一貫性研究の重要な方向である。均衡技術(shù)はさらに向上しなければならない。
（1）SOCは最も理想的な判斷基準(zhǔn)として、リアルタイム推定精度をさらに向上させなければならない。（2）均衡回路のトポロジーを最適化し、均衡速度を向上させ、均衡時(shí)間を短縮する。の目的です。
この段階の均衡制御戦略の研究は，平衡ハードウェア回路の設(shè)計(jì)と実現(xiàn)に焦點(diǎn)を當(dāng)てることが多い。しかし、均衡回路パラメータは均衡効果に影響します。また、バランススタート時(shí)のバッテリー荷電狀態(tài)、均衡しきい値、充放電電流、均衡電流と充放電電流比、充放電工況切替方式も均衡効果に影響します。
4充放電戦略
科學(xué)的で合理的な充放電戦略は電池のエネルギー利用効率を高めることができる。現(xiàn)在の総合的な性能の最高の充電方法は、電池管理システムと充電機(jī)が協(xié)調(diào)して直列充電を行い、BMSによって電池群の環(huán)境溫度、単量體電池の電圧と電流、一致性と溫度上昇などの狀態(tài)を監(jiān)視し、充電器とデータ共有を?qū)g現(xiàn)し、リアルタイムで出力電流を変化させ、電池の過充電と優(yōu)充電を溶かす。この充電方式は現(xiàn)在の主流で、リチウム電池の充電時(shí)の一貫性の差、充電効率の低さ、満充電できないなどの問題をある程度解消できます。
5電池の熱管理
電池グループの中の単量電池の生産熱と放熱量は空間的に分布が不均衡で、電池自體、電池グループの部分領(lǐng)域と環(huán)境の溫度が一致しない場合、電池グループ內(nèi)部の溫度差は持続的に拡大し、さらに電池の性能低下を加速します。そのため、電池グループを熱管する必要があります。
