鋰離子電池的不一致性會影響電池組的使用壽命,降低了電池成組后的性能。鋰電池成組不一致性是指單體電池的容量、電壓、內阻、自放電速率等參數存在差異,是由電池組的組合結構、使用工況、使用環境、電池管理不同所致。單體電池的不一致性是電池組性能的重要影響因素,它能降低電池組的可用容量,并降低電池組的循環壽命。

單體電池成組后,循環壽命會有所降低。選用較長使用壽命的單體電池組合成電池組,會增加電池組循環使用次數,但為提升電池組整體性能,獲得更長使用壽命,還應重視單體電池匹配一致性,提供適宜的工作條件和采用妥當熱管理措施,進行及時修復與保養。本文在分析鋰離子電池組不一致性成因基礎上,提出電池不一致性的改進措施和優化方法。

不一致性機理

一、單體電池之間參數差異

單體電池之間的狀態差異主要包括單體電池初始差異和使用過程中產生的參數差異。電池設計、制造、存儲以及使用過程中存在多種不可控制的因素,會影響電池的一致性。提高單體電池的一致性是提升電池組性能的先決條件。單體電池參數的相互影響,當前的參數狀態受初始狀態和時間累積作用的影響。

1、電池容量、電壓和自放電速率

電池容量不一致會使電池組各單體電池放電深度不一致。容量較小、性能較差的電池將提前達到滿充電狀態,造成容量大、性能好的電池不能達到滿充電狀態;  

電池電壓的不一致將導致并聯電池組中單體電池互充電,電壓較高的電池將給電壓較低的電池充電,這會加快電池性能的衰減,損耗整個電池組的能量; 

自放電速率大的電池容量損失大,電池自放電速率的不一致將導致電池荷電狀態、電壓產生差異,影響電池組的性能。

2、電池內阻

串聯系統中,單體電池內阻差異將導致各個電池的充電電壓不一致,內阻大的電池提前達到電壓上限,此時其他電池可能未充滿電。內阻大的電池能量損耗大,產生的熱量高,溫度差異進一步增大內阻差異,導致惡性循環。  

并聯系統中,內阻差異將導致各個電池電流的不一致,電流大的電池電壓變化快,使各個單體電池的充放電深度不一致,造成系統的實際容量值難以達到設計值。電池工作電流不同，其性能在使用過程中會產生差異，最終會影響整個電池組的壽命。

二、充放電工況

充電方式影響鋰電池組的充電效率和充電狀態,過充過放都會損壞電池,多次充放電后電池組會顯露不一致性。目前,鋰離子電池充電方式有數種,但常見的有分段恒流充電方式和恒流恒壓充電方式。恒流充電是較為理想的方式,能夠進行安全、有效的滿充;恒流恒壓充電有效結合了恒流充電和恒壓充電的優點,解決了一般恒流充電方式難以精準滿充的問題,避免了恒壓充電方式在充電初期電流過大對電池造成的影響,操作簡單方便。

三、溫度

鋰電池在高溫和高放電倍率下的性能會有明顯衰減。這是因為鋰離子電池在高溫條件下和大電流使用時,會造成正極活性物質和電解液的分解,這是放熱過程,短時間放出等熱量能導致電池自身溫度進一步升高,溫度升高又加速了分解現象,形成惡性循環,加速分解使電池性能進一步下降。所以,如果電池組熱管理不當,會帶來不可逆性能損降。  

電池組設計和使用環境差異會造成單體電池所處溫度環境不一致。由Arrhenius定律可知,電池的電化學反應速度常數與度呈指數關系,不同溫度下電池電化學特性不同。溫度會對電池電化學系統的運行、庫侖效率、充放電能力、輸出功率、容量、可靠性以及循環壽命產生影響。目前,主要開展的是溫度對電池組不一致性影響定量化研究。圖1給出了鋰電池產生熱失控的起因。

四、電池外電路

1、連接方式

在規模儲能系統中,電池將以串并聯的方式組合在一起,因此在電池和模塊之間會有許多連接電路和控制元件。由于每個結構件或元器件的性能和老化速度不同,以及每個連接點消耗的能量不一致,不同器件對電池的影響不一樣,造成電池組系統的不一致。并聯電路中電池衰減速度的不一致會加速系統的惡化。  

連接片阻抗也會對電池組的不一致性產生影響,連接片阻值不盡相同,極柱到各單體電池支路的阻值不同,遠離極柱的電池因連接片較長而阻值較大,電流則較小,連接片會使得與極柱相連的單體電池最先達到截止電壓,造成能量利用率降低,影響電池性能,而且該單體電池提前老化會導致與其相連的電池過充,造成安全隱患。

隨著電池循環次數增多,將造成歐姆內阻增加,容量衰減,歐姆內阻與連接片阻值的比率將發生變化。為保證系統安全性,必須考慮連接片阻值的影響。

2、BMS輸入電路

電池管理系統(BMS)是電池組正常運行的保障,但BMS輸入電路會對電池的一致性產生不利影響。電池電壓的監測方法有精密電阻分壓、集成芯片采樣等,這些方法由于電阻與電路板通路的存在,無法避免采樣線外載漏電流,電池管理系統電壓采樣輸入阻抗將增加電池荷電狀態(SOC)的不一致性,影響電池組的性能。

五、SOC估算誤差

SOC不一致產生的原因有單體電池初始標稱容量不一致和工作中單體電池標稱容量衰減速度不一致。對于并聯電路,單體電池的內阻差異會造成電流分配不均,進而導致SOC的不一致。SOC算法包括安時積分法、開路電壓法、卡爾曼濾波法、神經網絡法、模糊邏輯法、放電測試法等。安時積分法在起始荷電狀態SOC0比較準確時有較好的精度,但是庫侖效率受電池荷電狀態、溫度和電流等狀態的影響較大,難以準確測量,因此安時積分法很難達到荷電狀態估計的精度要求。開路電壓法在較長時間靜置之后，電池的開路電壓與SOC存在確定的函數關系，通過測量端電壓來獲得SOC的估計值。開路電壓法具有估算精度高的優點，但是靜置時間長的缺點也限制了其使用范圍。

成組不一致性優化方法

一、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、鋰離子電池生產工藝

電池的生產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。根據電池的性能要求設計電池生產工序,分析原材料、電極和電解液等參數對電池一致性的影響,從而合理控制各個工序參數的閾值。生產線減少人為干預,實現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,將狀態參數較為一致的電池組合在一起。電池成組方法主要有單參數配組法、多參數配組法和動態特性曲線配組法。動態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:先并聯兩個相同的電池為一個模塊,再將模塊串聯起來(PSB);先串聯兩個不同的電池為一個模塊,再將模塊并聯起來(SPA)。

2、電池管理系統

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。電池管理系統是電池系統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,使電池在適宜的區域內工作,延長壽命。BMS由傳感器、執行器、控制器和信號線等部分組成,主要功能有:數據采集、狀態估計、充放電控制、均衡充電、熱量管理、安全管理和數據通信等。 

雖然電池管理技術已經被廣泛運用,但還需要繼續完善,尤其是在SOC的估算和數據采集精確度、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化,確定最佳的均衡參數,根據均衡電路尋找合適的均衡路徑來達到快速均衡的目的。 

現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。但均衡電路參數會影響均衡效果。另外,均衡啟動時電池荷電狀態、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和充電機協調配合串聯充電,通過BMS對電池組的環境溫度、單體電池的電壓和電流、一致性和溫升等狀態監控,與充電機實現數據共享,實時改變輸出電流,能夠防止電池過充和優化充電。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、電池組部分區域及所處環境的溫度不一致,如不加以控制,電池組內部的溫差會持續擴大,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。

結束語

本文通過對電池成組不一致性成因分析,提出了部分改善一致性方法。電池成組不一致的原因主要是單體電池的初始差異和電池成組后的結構、使用工況及環境差異。為了緩解電池成組后帶來的性能下降和壽命縮減等問題,可以優化電池的制造工藝,減少電池的初始差異;在電池成組前進行篩選,將不一致性較小的電池成組;在組合電池組系統時,充分考慮連接方式和結構對不一致性的影響;在使用過程中,進行合理的電池管理,有效的均衡以及熱管理,減少因使用條件不同而造成的不一致。提升電池成組一致性技術中,BMS和熱管理技術已較為成熟,SOC估計精度和均衡效果有待進一步提高。