鋰離子電池一致性以及提高方法介紹
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2020-11-02 14:52
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一、不一致性分析
1.1 不一致性的定義
鋰離子電池組的不一致性就是指同一規(guī)格型號(hào)的單體電池組成電池組后，其電壓、容量、內(nèi)阻、壽命、溫度影響、自放電率等參數(shù)存在一定的差別。
單體電池在制造出來(lái)后，初始性能本身存在一定差異。隨著電池的使用，這些性能差異不斷累積，同時(shí)由于各單體電池在電池組內(nèi)的使用環(huán)境不完全相同，也導(dǎo)致了單體電池的不一致性逐步放大，從而加速電池性能衰減，并最終引發(fā)電池組過(guò)早失效。
1.2 不一致性的表現(xiàn)
鋰離子電池不一致性主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：電池單體性能參數(shù)(電池容量、內(nèi)阻和自放電率等)的差異和電池荷電狀態(tài)(SOC)的差異。
戴海峰等研究發(fā)現(xiàn)，電池單體之間容量的差異分布接近威爾分布，而內(nèi)阻的離散程度較容量更為顯著，且同批次電池的內(nèi)阻一般滿足正態(tài)分布的規(guī)律，自放電率也呈現(xiàn)近似正態(tài)分布。SOC表征著電池的荷電狀態(tài)，是電池剩余容量與額定容量的比值，解競(jìng)等認(rèn)為由于電池的不一致性，電池的容量衰減速率不同，導(dǎo)致電池間的最大可用容量存在差異。容量小的電池的SOC變化速率比容量大的電池快，充放電時(shí)更快達(dá)到截止電壓。
1.3 不一致性的成因
鋰離子電池出現(xiàn)不一致性問題的原因很多，主要是在制造過(guò)程和使用過(guò)程中產(chǎn)生的。制造過(guò)程的每個(gè)環(huán)節(jié)例如配料時(shí)漿料的均勻度、涂布時(shí)面密度及表面張力的控制等都會(huì)造成單體電池性能的差異。
羅雨等研究了鋰離子電池生產(chǎn)制造工藝對(duì)電池一致性的影響，重點(diǎn)研究了水性粘結(jié)劑體系的鋰離子電池生產(chǎn)制片工藝對(duì)電池一致性的影響。在電池的使用過(guò)程中，謝皎等認(rèn)為連接方式和結(jié)構(gòu)件/器件、使用工況和環(huán)境都會(huì)給電池組一致性帶來(lái)影響。因?yàn)槊總€(gè)連接點(diǎn)所消耗的能量不一致，每個(gè)元器件或結(jié)構(gòu)件的性能以及老化速率等也都不一致，因此對(duì)電池的影響也不一致。另外，由于電池中每個(gè)單體電池所處位置不同，溫度不同，性能衰減也不同，這些都會(huì)使單體電池的不一致得到放大。
二、提高電池一致性的方法
2.1 生產(chǎn)過(guò)程的控制
生產(chǎn)過(guò)程的控制主要從原材料和生產(chǎn)工藝兩方面進(jìn)行。原材料方面盡量選取同一批次 的原材料，保證原材料顆粒大小、性能的一致性。生產(chǎn)工藝上要對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行嚴(yán)格的調(diào)控，例如保證漿料攪拌均勻、不長(zhǎng)時(shí)間放置，控制涂布機(jī)的走速保證涂布的厚度、均勻度，極片外觀檢查、稱重分檔，控制注液量及化成、分容、儲(chǔ)存條件等。
羅雨通過(guò)對(duì)鋰離子電池制備工藝技術(shù)的研究，確定了對(duì)鋰離子電池一致性有重大影響的關(guān)鍵工藝，主要包括配料攪拌、涂布、輥壓、卷繞/疊片、注液和化成，并對(duì)各關(guān)鍵工藝參數(shù)與電池性能的關(guān)系做了深入研究分析。
2.2 配組過(guò)程的控制
配組過(guò)程的控制主要是指對(duì)電池進(jìn)行分選，電池組采用統(tǒng)一規(guī)格、型號(hào)的電池，并且要對(duì)電池的電壓、容量、內(nèi)阻等進(jìn)行測(cè)定，保證電池初始性能的一致性。
許海濤等通過(guò)研究，發(fā)現(xiàn)在電池組配組時(shí)，單體電池的電壓差異是影響電池組充放電末期各單體電池的一致性重要因素，而單體電池的內(nèi)阻差異則造成了電池組充放電過(guò)程中各單體電池的電壓平臺(tái)出現(xiàn)較大差別。王琳霞等通過(guò)對(duì)鋰離子串并聯(lián)組合電池中單體電芯的不一致性研究，分析并聯(lián)電池組中的主要影響因素DCR對(duì)電池組造成的影響程度和串聯(lián)電池組的主要影響因素容量對(duì)電池組造成的影響程度，為組合電池包提供必要的依據(jù)。陳萍等通過(guò)放電倍率對(duì)電池配組一致性的影響研究發(fā)現(xiàn)隨著放電倍率的增大，電池的不一致性得到了放大，達(dá)到剔除不良電池的效果。
2.3 使用和維護(hù)過(guò)程的控制
對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。配組時(shí)對(duì)電池進(jìn)行一致性篩選，可保證在電池組使用初期的一致性。在使用過(guò)程中對(duì)電池進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可實(shí)時(shí)觀察到使用過(guò)程中的一致性問題，但由于當(dāng)一致性差時(shí)，監(jiān)測(cè)電路會(huì)切斷充放電電路，因而性能會(huì)降低。必須找到二者之間的平衡點(diǎn)。也可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控對(duì)極端參數(shù)電池進(jìn)行及時(shí)調(diào)整或者更換，保證電池組的不一致性不會(huì)隨時(shí)間而擴(kuò)大。
引入均衡管理系統(tǒng)。采用適當(dāng)?shù)木獠呗院途怆娐穼?duì)電池進(jìn)行智能管理。目前常見的均衡策略包括基于外電壓的均衡策略、基于SOC的均衡策略和基于容量的均衡策略。而均衡電路按能量消耗方式可以分為被動(dòng)均衡和主動(dòng)均衡。其中主動(dòng)均衡能夠 實(shí)現(xiàn)電池間的無(wú)損能量流動(dòng)，是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。主動(dòng)均衡中常用的方法有電池旁路法、開關(guān)電容法、開關(guān)電感法、DC/DC變換法等。
對(duì)電池進(jìn)行熱管理。對(duì)電池進(jìn)行熱管理除了盡量將電池組的工作溫度保持在最優(yōu)的范 圍之內(nèi)，還要盡量保證電池之間溫度條件的一致，從而有效的保證各電池之間的性能一致性。采用合理的控制策略。在輸出功率允許的情況下，盡量減小電池放電深度，同時(shí)，避免電池的過(guò)充電，可延長(zhǎng)電池組的循環(huán)壽命。加強(qiáng)對(duì)電池組的維護(hù)。間隔一定時(shí)間對(duì)電池組進(jìn)行小電流維護(hù)性充電，還要注意清潔。
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