鋰電池成組不一致性有哪些改善方法？
來源：寶鄂實業(yè)
2019-09-24 16:13
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、單體電池制造技術
1、鋰電池材料
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,負極材料有石墨、硅和鈦酸鋰等。同批次原材料對電池性能的一致性十分重要,在生產(chǎn)過程中,需要對原材料的粒徑分布、比表面積和雜質含量等參數(shù)進行嚴格的控制,保證原材料的批次一致性。
2、鋰離子電池生產(chǎn)工藝
電池的生產(chǎn)工藝由多個工序組成,每個工序過程都可能會影響電池的一致性。生產(chǎn)單體性能要一致,必須對每一個工序進行合理的設計和管控,使之平行重復。根據(jù)電池的性能要求設計電池生產(chǎn)工序,分析原材料、電極和電解液等參數(shù)對電池一致性的影響,從而合理控制各個工序參數(shù)的閾值。生產(chǎn)線減少人為干預,實現(xiàn)自動化也能提高電池的一致性。
二、分選制度
為了降低初始狀態(tài)差異對電池組的不利影響,通常需要對單體電池進行篩選,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)配組法和動態(tài)特性曲線配組法。動態(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。
三、電池組外電路
1、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)兩個相同的電池為一個模塊,再將模塊串聯(lián)起來(PSB);先串聯(lián)兩個不同的電池為一個模塊,再將模塊并聯(lián)起來(SPA)。
2、電池管理系統(tǒng)
為了提高電池的性能和使用壽命需要對單體電池進行管理和維護。電池管理系統(tǒng)是電池系統(tǒng)正常運行的重要保障,主要任務是保證電池組的性能,防止電池損壞,避免安全事故,使電池在適宜的區(qū)域內工作,延長壽命。BMS由傳感器、執(zhí)行器、控制器和信號線等部分組成,主要功能有:數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)估計、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。
雖然電池管理技術已經(jīng)被廣泛運用,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。
3、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。
均衡電路拓撲結構:均衡電路拓撲結構的研究主要是對均衡電路結構進行設計與改進,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,從而實現(xiàn)單體電池一致性,電路簡單,均衡速度快,效率高,但會導致電池組能量利用率不高;非能耗式電路利用儲能元件和均衡外電路來實現(xiàn)電池間的能量轉移,能量利用效率高,非能耗式均衡有開關電容式、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。均衡技術需進一步提高,包括:
SOC作為最理想的判斷標準,實時估測精度還需進一步提高;
優(yōu)化均衡電路的拓撲結構,提升均衡速度,縮短均衡時間;
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
硬件電路設計與實現(xiàn)。但均衡電路參數(shù)會影響均衡效果。另外,均衡啟動時電池荷電狀態(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影響均衡效果。
4、充放電策略
科學、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)和充電機協(xié)調配合串聯(lián)充電,通過BMS對電池組的環(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,與充電機實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,實時改變輸出電流,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一致性差、充電效率低和無法滿充等問題。
5、電池熱管理
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,電池組內部的溫差會持續(xù)擴大,進而加快電池性能衰降。因此,需要對電池組進行熱管理。
熱管理系統(tǒng)通常要求結構緊湊,質量輕,易于包裝,可靠,成本低,易于維護。它的功能有:使電池在最適宜的溫度范圍內運行;減小電池間、模組內和模組間的溫度差。熱管理分主動和被動兩種方式。系統(tǒng)中使用導熱介質可以分為三類,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,比如電池熱模型過于簡化,電池單體常采用零維的生熱模型,電池各部分生熱率相同,缺少基于非均勻內熱源對不同熱管理系統(tǒng)的性能對比。對鋰離子電池低溫特性研究及低溫熱管理技術研究較少。
