锂电池成组不一致性有哪些改善方法？
来源：宝鄂实业
2019-09-24 16:13
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、单体电池制造技术
1、锂电池材料
锂离子电池的正极材料有三元材料、磷酸铁锂、钴酸锂和锰酸锂等,负极材料有石墨、硅和钛酸锂等。同批次原材料对电池性能的一致性十分重要,在生产过程中,需要对原材料的粒径分布、比表面积和杂质含量等参数进行严格的控制,保证原材料的批次一致性。
2、锂离子电池生产工艺
电池的生产工艺由多个工序组成,每个工序过程都可能会影响电池的一致性。生产单体性能要一致,必须对每一个工序进行合理的设计和管控,使之平行重复。根据电池的性能要求设计电池生产工序,分析原材料、电极和电解液等参数对电池一致性的影响,从而合理控制各个工序参数的阈值。生产线减少人为干预,实现自动化也能提高电池的一致性。
二、分选制度
为了降低初始状态差异对电池组的不利影响,通常需要对单体电池进行筛选,将状态参数较为一致的电池组合在一起。电池成组方法主要有单参数配组法、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通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,分选效果理想。
三、电池组外电路
1、电池串并联方式
电池组的连接方式影响电池一致性。目前有两种较好的连接方式: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)。
2、电池管理系统
为了提高电池的性能和使用寿命需要对单体电池进行管理和维护。电池管理系统是电池系统正常运行的重要保障,主要任务是保证电池组的性能,防止电池损坏,避免安全事故,使电池在适宜的区域内工作,延长寿命。BMS由传感器、执行器、控制器和信号线等部分组成,主要功能有:数据采集、状态估计、充放电控制、均衡充电、热量管理、安全管理和数据通信等。
虽然电池管理技术已经被广泛运用,但还需要继续完善,尤其是在SOC的估算和数据采集精确度、均衡电路、电池快充等方面。由于不同类型的电池特性具有差异,适用于所有电池的BMS是目前的主要研究方向。
3、均衡控制
为了缓解甚至消除电池组中各单体电池间的不一致性,提高电池组的性能、寿命和安全性,通过均衡电路和均衡控制策略能够有效地改善电池组的不一致性。
均衡电路拓扑结构:均衡电路拓扑结构的研究主要是对均衡电路结构进行设计与改进,提高均衡效率,降低成本。根据均衡电路在均衡过程中电路是否消耗能量可以分为能耗式均衡和非能耗式均衡。能耗式均衡电路采用耗能元件消耗电池组中电压较高的电池电量,从而实现单体电池一致性,电路简单,均衡速度快,效率高,但会导致电池组能量利用率不高;非能耗式电路利用储能元件和均衡外电路来实现电池间的能量转移,能量利用效率高,非能耗式均衡有开关电容式、变换器式和变压器式。
均衡控制策略:均衡控制策略主要是确定均衡模块的工作方式。目前,工作方式有最大值均衡法、平均值比较法和模糊控制法。均衡能力的提升是电池一致性研究的重要方向。均衡技术需进一步提高,包括:
SOC作为最理想的判断标准,实时估测精度还需进一步提高;
优化均衡电路的拓扑结构,提升均衡速度,缩短均衡时间;
均衡控制策略还需要优化,确定最佳的均衡参数,根据均衡电路寻找合适的均衡路径来达到快速均衡的目的。
现阶段均衡控制策略的研究大多聚焦于均衡
硬件电路设计与实现。但均衡电路参数会影响均衡效果。另外,均衡启动时电池荷电状态、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方式也会影响均衡效果。
4、充放电策略
科学、合理的充放电策略能够提高电池能量利用效率。目前综合性能最好的充电方法是电池管理系统和充电机协调配合串联充电,通过BMS对电池组的环境温度、单体电池的电压和电流、一致性和温升等状态监控,与充电机实现数据共享,实时改变输出电流,能够防止电池过充和优化充电。这种充电方式是目前的主流,可一定程度消除锂电池组充电时一致性差、充电效率低和无法满充等问题。
5、电池热管理
电池组中各单体电池的产热量和散热量在空间上分布不均,会造成电池自身、电池组部分区域及所处环境的温度不一致,如不加以控制,电池组内部的温差会持续扩大,进而加快电池性能衰降。因此,需要对电池组进行热管理。
热管理系统通常要求结构紧凑,质量轻,易于包装,可靠,成本低,易于维护。它的功能有:使电池在最适宜的温度范围内运行;减小电池间、模组内和模组间的温度差。热管理分主动和被动两种方式。系统中使用导热介质可以分为三类,分别是空气、液体和相变材料。
目前,电池组热管理研究有局限性,比如电池热模型过于简化,电池单体常采用零维的生热模型,电池各部分生热率相同,缺少基于非均匀内热源对不同热管理系统的性能对比。对锂离子电池低温特性研究及低温热管理技术研究较少。
