锂电池成组不一致的改进办法和优化办法
来源：宝鄂实业
2020-02-01 11:31
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不共同性机理
1单体电池之间参数差异
单体电池之间的状况差异首要包含单体电池初始差异和运用进程中发生的参数差异。电池规划、制作、存储以及运用进程中存在多种不可操控的因素,会影响电池的共同性。进步单体电池的共同性是进步电池组功能的先决条件。单体电池参数的相互影响,当前的参数状况受初始状况和时刻累积作用的影响。
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电池容量、电压和自放电速率
电池容量不共同会使电池组各单体电池放电深度不共同。容量较小、功能较差的电池将提早到达满充电状况,形成容量大、功能好的电池不能到达满充电状况;
电池电压的不共同将导致并联电池组中单体电池互充电,电压较高的电池将给电压较低的电池充电,这会加速电池功能的衰减,损耗整个电池组的能量;
自放电速率大的电池容量损失大,电池自放电速率的不共同将导致电池荷电状况、电压发生差异,影响电池组的功能。
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电池内阻
串联体系中,单体电池内阻差异将导致各个电池的充电电压不共同,内阻大的电池提早到达电压上限,此刻其他电池或许未充满电。内阻大的电池能量损耗大,发生的热量高,温度差异进一步增大内阻差异,导致恶性循环。
并联体系中,内阻差异将导致各个电池电流的不共同,电流大的电池电压改动快,使各个单体电池的充放电深度不共同,形成体系的实践容量值难以到达规划值。电池工作电流不同，其功能在运用进程中会发生差异，最终会影响整个电池组的寿数。
2充放电工况
充电办法影响锂电池组的充电功率和充电状况,过充过放都会损坏电池,屡次充放电后电池组会暴露不共同性。现在,锂离子电池充电办法有数种,但常见的有分段恒流充电办法和恒流恒压充电办法。恒流充电是较为抱负的办法,能够进行安全、有用的满充;恒流恒压充电有用结合了恒流充电和恒压充电的长处,解决了一般恒流充电办法难以精准满充的问题,避免了恒压充电办法在充电初期电流过大对电池形成的影响,操作简略方便。
3温度
锂电池在高温和高放电倍率下的功能会有明显衰减。这是因为锂离子电池在高温条件下和大电流运用时,会形成正极活性物质和电解液的分解,这是放热进程,短时刻放出等热量能导致电池本身温度进一步升高,温度升高又加速了分解现象,形成恶性循环,加速分解使电池功能进一步下降。所以,假如电池组热办理不妥,会带来不可逆功能损降。
电池组规划和运用环境差异会形成单体电池所在温度环境不共同。由Arrhenius规律可知,电池的电化学反应速度常数与度呈指数联系,不同温度下电池电化学特性不同。温度会对电池电化学体系的运转、库仑功率、充放电才能、输出功率、容量、牢靠性以及循环寿数发生影响。现在,首要展开的是温度对电池组不共同性影响定量化研讨。图1给出了锂电池发生热失控的原因。
4电池外电路
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衔接办法
在规划储能体系中,电池将以串并联的办法组合在一起,因而在电池和模块之间会有许多衔接电路和操控元件。因为每个结构件或元器件的功能和老化速度不同,以及每个衔接点耗费的能量不共同,不同器件对电池的影响不一样,形成电池组体系的不共同。并联电路中电池衰减速度的不共同会加速体系的恶化。
衔接片阻抗也会对电池组的不共同性发生影响,衔接片阻值不尽相同,极柱到各单体电池支路的阻值不同,远离极柱的电池因衔接片较长而阻值较大,电流则较小,衔接片会使得与极柱相连的单体电池最早到达截止电压,形成能量使用率下降,影响电池功能,并且该单体电池提早老化会导致与其相连的电池过充,形成安全隐患。
跟着电池循环次数增多,将形成欧姆内阻添加,容量衰减,欧姆内阻与衔接片阻值的比率将发生改动。为确保体系安全性,有必要考虑衔接片阻值的影响。
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BMS输入电路
电池办理体系(BMS)是电池组正常运转的确保,但BMS输入电路会对电池的共同性发生晦气影响。电池电压的监测办法有精密电阻分压、集成芯片采样等,这些办法因为电阻与电路板通路的存在,无法避免采样线外载漏电流,电池办理体系电压采样输入阻抗将添加电池荷电状况(SOC)的不共同性,影响电池组的功能。
5SOC预算差错
SOC不共同发生的原因有单体电池初始标称容量不共同和工作中单体电池标称容量衰减速度不共同。关于并联电路,单体电池的内阻差异会形成电流分配不均,进而导致SOC的不共同。SOC算法包含安时积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法、神经网络法、含糊逻辑法、放电测试法等。安时积分法在起始荷电状况SOC0比较精确时有较好的精度,可是库仑功率受电池荷电状况、温度和电流等状况的影响较大,难以精确测量,因而安时积分法很难到达荷电状况估计的精度要求。开路电压法在较长时刻静置之后，电池的开路电压与SOC存在确定的函数联系，经过测量端电压来取得SOC的估计值。开路电压法具有预算精度高的长处，可是静置时刻长的缺陷也限制了其运用范围。
成组不共同性优化办法
1单体电池制作技能
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锂电池资料
锂离子电池的正极资料有三元资料、磷酸铁锂、钴酸锂和锰酸锂等,负极资料有石墨、硅和钛酸锂等。同批次原资料对电池功能的共同性十分重要,在生产进程中,需要对原资料的粒径散布、比表面积和杂质含量等参数进行严格的操控,确保原资料的批次共同性。
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锂离子电池生产工艺
电池的生产工艺由多个工序组成,每个工序进程都或许会影响电池的共同性。生产单体功能要共同,有必要对每一个工序进行合理的规划和管控,使之平行重复。依据电池的功能要求规划电池生产工序,剖析原资料、电极和电解液等参数对电池共同性的影响,然后合理操控各个工序参数的阈值。生产线削减人为干预,完成自动化也能进步电池的共同性。
2分选制度
为了下降初始状况差异对电池组的晦气影响,通常需要对单体电池进行筛选,将状况参数较为共同的电池组合在一起。电池成组办法首要有单参数配组法、多参数配组法和动态特性曲线配组法。动态特性曲线配组法经过比较同一倍率下不同电池间充放电曲线的差异,能够很好地反映电池特性,分选作用抱负。
3电池组外电路
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电池串并联办法
电池组的衔接办法影响电池共同性。现在有两种较好的衔接办法:先并联两个相同的电池为一个模块,再将模块串联起来(PSB);先串联两个不同的电池为一个模块,再将模块并联起来(SPA)。
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电池办理体系
为了进步电池的功能和运用寿数需要对单体电池进行办理和维护。电池办理体系是电池体系正常运转的重要确保,首要任务是确保电池组的功能,防止电池损坏,避免安全事故,使电池在适合的区域内工作,延长寿数。BMS由传感器、执行器、操控器和信号线等部分组成,首要功能有:数据收集、状况估计、充放电操控、均衡充电、热量办理、安全办理和数据通信等。
尽管电池办理技能现已被广泛运用,但还需要继续完善,尤其是在SOC的预算和数据收集精确度、均衡电路、电池快充等方面。因为不同类型的电池特性具有差异,适用于所有电池的BMS是现在的首要研讨方向。
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均衡操控
为了缓解甚至消除电池组中各单体电池间的不共同性,进步电池组的功能、寿数和安全性,经过均衡电路和均衡操控战略能够有用地改进电池组的不共同性。
均衡电路拓扑结构:均衡电路拓扑结构的研讨首要是对均衡电路结构进行规划与改进,进步均衡功率,下降成本。依据均衡电路在均衡进程中电路是否耗费能量能够分为能耗式均衡和非能耗式均衡。能耗式均衡电路选用耗能元件耗费电池组中电压较高的电池电量,然后完成单体电池共同性,电路简略,均衡速度快,功率高,但会导致电池组能量使用率不高;非能耗式电路使用储能元件和均衡外电路来完成电池间的能量转移,能量使用功率高,非能耗式均衡有开关电容式、变换器式和变压器式。
均衡操控战略:均衡操控战略首要是确定均衡模块的工作办法。现在,工作办法有最大值均衡法、平均值比较法和含糊操控法。均衡才能的进步是电池共同性研讨的重要方向。均衡技能需进一步进步,包含:
SOC作为最抱负的判断规范,实时估测精度还需进一步进步;
优化均衡电路的拓扑结构,进步均衡速度,缩短均衡时刻;
均衡操控战略还需要优化,确定最佳的均衡参数,依据均衡电路寻觅适合的均衡途径来到达快速均衡的意图。
现阶段均衡操控战略的研讨大多聚焦于均衡
硬件电路规划与完成。但均衡电路参数会影响均衡作用。别的,均衡启动时电池荷电状况、均衡阈值、充放电电流、均衡电流与充放电电流比值以及充放电工况切换办法也会影响均衡作用。
4充放电战略
科学、合理的充放电战略能够进步电池能量使用功率。现在综合功能最好的充电办法是电池办理体系和充电机和谐合作串联充电,经过BMS对电池组的环境温度、单体电池的电压和电流、共同性和温升等状况监控,与充电机完成数据共享,实时改动输出电流,能够防止电池过充和优化充电。这种充电办法是现在的主流,可必定程度消除锂电池组充电时共同性差、充电功率低和无法满充等问题。
5电池热办理
电池组中各单体电池的产热量和散热量在空间上散布不均,会形成电池本身、电池组部分区域及所在环境的温度不共同,如不加以操控,电池组内部的温差会持续扩展,进而加速电池功能衰降。因而,需要对电池组进行热办理。
热办理体系通常要求结构紧凑,质量轻,易于包装,牢靠,成本低,易于维护。它的功能有:使电池在最适合的温度范围内运转;减小电池间、模组内和模组间的温度差。热办理分自动和被动两种办法。体系中运用导热介质能够分为三类,分别是空气、液体和相变资料。
现在,电池组热办理研讨有局限性,比方电池热模型过于简化,电池单体常选用零维的生热模型,电池各部分生热率相同,短少基于非均匀内热源对不同热办理体系的功能比照。对锂离子电池低温特性研讨及低温热办理技能研讨较少。
