鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：9021次 | 2018年05月04日
一文帶你看懂鋰電池不一致性的危害
動(dòng)力鋰電池，已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)了電動(dòng)汽車電源江湖老大的地位。使用壽命長(zhǎng)，能量密度高，還極具改進(jìn)潛力。安全性可以改，能量密度可以繼續(xù)上升。在可預(yù)見的時(shí)間里（傳說大約2020年左右）就可以趕上燃油車的續(xù)航能力和性價(jià)比，步入電動(dòng)汽車的第一個(gè)成熟階段。
然而鋰電池有鋰電池的煩惱。
1為什么鋰電池多數(shù)都是小個(gè)子
我們看到的鋰電池，圓柱電池，軟包電池、方形電池，一般都長(zhǎng)相清秀，完全找不到傳統(tǒng)鉛酸電池那樣的大塊頭，這是為什么？
能量密度高，鋰電池往往不敢設(shè)計(jì)成大容量。鉛酸電池的能量密度在40Wh/kg左右，而鋰電池，已經(jīng)超過150Wh/kg。能量集中度提高，對(duì)安全性的要求水漲船高。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
首先，單只能量過高的鋰電池，遇到意外，引發(fā)熱失控，電池內(nèi)部急劇反應(yīng)，短時(shí)間內(nèi)，過多的能量無(wú)處釋放，是非常危險(xiǎn)的。尤其在安全技術(shù)，管控能力發(fā)展還不夠充分的時(shí)候，每只電池的容量都應(yīng)該克制。
其次，被鋰電池殼體包裹起來(lái)的能量，一旦出現(xiàn)意外，消防員、滅火劑無(wú)法觸及、無(wú)能為力，只能在發(fā)生事故時(shí)隔離現(xiàn)場(chǎng)，任事故電池自行反應(yīng)，能量燃盡為止。
當(dāng)然，出于安全考慮，當(dāng)前的鋰電池已經(jīng)設(shè)計(jì)了多重安全手段。拿圓柱電池為例。
安全閥，當(dāng)電池內(nèi)部反應(yīng)超出正常范圍，溫度上升，并且伴隨生成副反應(yīng)氣體，壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值，安全閥自動(dòng)開啟，泄掉壓力。安全閥打開的一刻，電池完全失效。
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備
熱敏電阻，有的電芯配置熱敏電阻，一旦出現(xiàn)過流，電阻在達(dá)到某一個(gè)溫度以后，阻值陡增，所在回路電流下降，阻止溫度的進(jìn)一步升高。
熔斷器，電芯配備具有過流熔斷功能的熔絲，一旦出現(xiàn)過流風(fēng)險(xiǎn)，電路斷開，避免惡性事故的發(fā)生。
2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(lái)，大家勁往一處使，精誠(chéng)合作，也能帶著電動(dòng)汽車飛起。這時(shí)候，就需要面對(duì)一個(gè)問題，一致性。
為什么要一致
我們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)是，兩節(jié)干電池，正負(fù)極連接起來(lái)，手電筒就能發(fā)光，有誰(shuí)管它一致不一致的事情。而鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用，情形卻并非如此簡(jiǎn)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(huì)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(gè)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(shè)置：放電時(shí)，當(dāng)最低的單體電壓達(dá)到放電截止電壓時(shí)，整個(gè)電池組停止放電；充電時(shí)，當(dāng)最高單體電壓觸及充電截止電壓時(shí)，停止充電。
拿兩只電池串聯(lián)舉例。一只電池容量C，另外一只容量只有0.9C。串聯(lián)關(guān)系，兩只電池通過同樣大小的電流。
充電時(shí)，容量小的電池必然先充滿，達(dá)到充電截止條件，系統(tǒng)不再繼續(xù)充電。放電時(shí)，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(gè)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(dá)壽命的重點(diǎn)。一直電芯壽命終結(jié)，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(duì)比較多。電池溫度過高，造成劣化速度加快，內(nèi)阻又會(huì)進(jìn)一步升高。內(nèi)阻和溫升，形成一對(duì)負(fù)反饋，使高內(nèi)阻電芯加速劣化。
上面三個(gè)參數(shù)，并不完全獨(dú)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。
3如何應(yīng)對(duì)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(gè)電池組內(nèi)的電芯，弱者恒弱，且加速變?nèi)?。單體電芯之間參數(shù)的離散程度，隨著老化程度的加深而加大。
當(dāng)前，工程師應(yīng)對(duì)單體電芯不一致，主要從三個(gè)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(shí)電池管理系統(tǒng)提供均衡功能。
3.1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(duì)集中的電芯放在一個(gè)電池組里，同一個(gè)電池包里。
分選的目的，是把參數(shù)相近的電芯挑選出來(lái)。分選方法，被研究了很多年，主要分靜態(tài)分選和動(dòng)態(tài)分選兩大類。
靜態(tài)分選，針對(duì)電芯的開路電壓，內(nèi)阻，容量等特性參數(shù)進(jìn)行篩選，選取目標(biāo)參數(shù)，引入統(tǒng)計(jì)算法，設(shè)定篩選標(biāo)準(zhǔn)，最后將同一批次的電芯區(qū)分成若干組。
動(dòng)態(tài)篩選，是針對(duì)電芯在充放電過程中表現(xiàn)出來(lái)的特性進(jìn)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(duì)比自身的充電和放電曲線之間的關(guān)系。
動(dòng)靜結(jié)合分選，用靜態(tài)篩選做初步分組，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)篩選，這樣劃分出來(lái)的組別更多，篩選準(zhǔn)確性更高，但成本也會(huì)相應(yīng)上升。
這里就小小體現(xiàn)了一把動(dòng)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(jìn)行更精細(xì)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(gè)批次都無(wú)法裝備一個(gè)電池包，再好的方法也無(wú)法施展了。
3.2熱管理
針對(duì)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(gè)電池組的溫差，使之保持在一個(gè)較小的范圍里。生成熱量較多的電芯，依然溫升偏高，但不會(huì)與其他電芯拉開差距，劣化水平就不會(huì)出現(xiàn)明顯的差距。
3.3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(dá)控制閾值，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)容量變小。為了解決這個(gè)問題，電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計(jì)了均衡功能。
某一顆電芯率先到達(dá)充電截止電壓，而其余眾電芯電壓明顯滯后，BMS起動(dòng)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(lǐng)域。電芯能量密度再高，遇到不一致性來(lái)攪局，電池包能力也會(huì)大打折扣。
參考
車用動(dòng)力電池多內(nèi)熱源生熱模型和電熱不一致性研究
電動(dòng)汽車鋰離子動(dòng)力電池分選方法研究
電動(dòng)汽車動(dòng)力電池分選方法研究
基于多點(diǎn)頻譜法的動(dòng)力電池一致性研究
圓柱型鋰離子動(dòng)力電池分選工藝的優(yōu)化與應(yīng)用
磷酸鐵鋰動(dòng)力電池動(dòng)態(tài)SOC狀態(tài)下的分選
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