锂离子电池的不一致性会影响电池组的使用寿命,降低了电池成组后的性能。锂电池成组不一致性是指单体电池的容量、电压、内阻、自放电速率等参数存在差异,是由电池组的组合结构、使用工况、使用环境、电池管理不同所致。单体电池的不一致性是电池组性能的重要影响因素,它能降低电池组的可用容量,并降低电池组的循环寿命。
单体电池成组后,循环寿命会有所降低。选用较长使用寿命的单体电池组合成电池组,会增加电池组循环使用次数,但为提升电池组整体性能,获得更长使用寿命,还应重视单体电池匹配一致性,提供适宜的工作条件和采用妥当热管理措施,进行及时修复与保养。本文在分析锂离子电池组不一致性成因基础上,提出电池不一致性的改进措施和优化方法。
不一致性机理
一、单体电池之间参数差异
单体电池之间的状态差异主要包括单体电池初始差异和使用过程中产生的参数差异。电池设计、制造、存储以及使用过程中存在多种不可控制的因素,会影响电池的一致性。提高单体电池的一致性是提升电池组性能的先决条件。单体电池参数的相互影响,当前的参数状态受初始状态和时间累积作用的影响。
1、电池容量、电压和自放电速率
电池容量不一致会使电池组各单体电池放电深度不一致。容量较小、性能较差的电池将提前达到满充电状态,造成容量大、性能好的电池不能达到满充电状态;
电池电压的不一致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,这会加快电池性能的衰减,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一致将导致电池荷电状态、电压产生差异,影响电池组的性能。
2、电池内阻
串联系统中,单体电池内阻差异将导致各个电池的充电电压不一致,内阻大的电池提前达到电压上限,此时其他电池可能未充满电。内阻大的电池能量损耗大,产生的热量高,温度差异进一步增大内阻差异,导致恶性循环。
并联系统中,内阻差异将导致各个电池电流的不一致,电流大的电池电压变化快,使各个单体电池的充放电深度不一致,造成系统的实际容量值难以达到设计值。电池工作电流不同，其性能在使用过程中会产生差异，最终会影响整个电池组的寿命。
二、充放电工况
充电方式影响锂电池组的充电效率和充电状态,过充过放都会损坏电池,多次充放电后电池组会显露不一致性。目前,锂离子电池充电方式有数种,但常见的有分段恒流充电方式和恒流恒压充电方式。恒流充电是较为理想的方式,能够进行安全、有效的满充;恒流恒压充电有效结合了恒流充电和恒压充电的优点,解决了一般恒流充电方式难以精准满充的问题,避免了恒压充电方式在充电初期电流过大对电池造成的影响,操作简单方便。
三、温度
锂电池在高温和高放电倍率下的性能会有明显衰减。这是因为锂离子电池在高温条件下和大电流使用时,会造成正极活性物质和电解液的分解,这是放热过程,短时间放出等热量能导致电池自身温度进一步升高,温度升高又加速了分解现象,形成恶性循环,加速分解使电池性能进一步下降。所以,如果电池组热管理不当,会带来不可逆性能损降。
电池组设计和使用环境差异会造成单体电池所处温度环境不一致。由Arrhenius定律可知,电池的电化学反应速度常数与度呈指数关系,不同温度下电池电化学特性不同。温度会对电池电化学系统的运行、库仑效率、充放电能力、输出功率、容量、可靠性以及循环寿命产生影响。目前,主要开展的是温度对电池组不一致性影响定量化研究。图1给出了锂电池产生热失控的起因。
四、电池外电路
1、连接方式
在规模储能系统中,电池将以串并联的方式组合在一起,因此在电池和模块之间会有许多连接电路和控制元件。由于每个结构件或元器件的性能和老化速度不同,以及每个连接点消耗的能量不一致,不同器件对电池的影响不一样,造成电池组系统的不一致。并联电路中电池衰减速度的不一致会加速系统的恶化。
连接片阻抗也会对电池组的不一致性产生影响,连接片阻值不尽相同,极柱到各单体电池支路的阻值不同,远离极柱的电池因连接片较长而阻值较大,电流则较小,连接片会使得与极柱相连的单体电池最先达到截止电压,造成能量利用率降低,影响电池性能,而且该单体电池提前老化会导致与其相连的电池过充,造成安全隐患。
随着电池循环次数增多,将造成欧姆内阻增加,容量衰减,欧姆内阻与连接片阻值的比率将发生变化。为保证系统安全性,必须考虑连接片阻值的影响。
2、BMS输入电路
电池管理系统(BMS)是电池组正常运行的保障,但BMS输入电路会对电池的一致性产生不利影响。电池电压的监测方法有精密电阻分压、集成芯片采样等,这些方法由于电阻与电路板通路的存在,无法避免采样线外载漏电流,电池管理系统电压采样输入阻抗将增加电池荷电状态(SOC)的不一致性,影响电池组的性能。
五、SOC估算误差
SOC不一致产生的原因有单体电池初始标称容量不一致和工作中单体电池标称容量衰减速度不一致。对于并联电路,单体电池的内阻差异会造成电流分配不均,进而导致SOC的不一致。SOC算法包括安时积分法、开路电压法、卡尔曼滤波法、神经网络法、模糊逻辑法、放电测试法等。安时积分法在起始荷电状态SOC0比较准确时有较好的精度,但是库仑效率受电池荷电状态、温度和电流等状态的影响较大,难以准确测量,因此安时积分法很难达到荷电状态估计的精度要求。开路电压法在较长时间静置之后，电池的开路电压与SOC存在确定的函数关系，通过测量端电压来获得SOC的估计值。开路电压法具有估算精度高的优点，但是静置时间长的缺点也限制了其使用范围。
成组不一致性优化方法
一、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。
结束语
本文通过对电池成组不一致性成因分析,提出了部分改善一致性方法。电池成组不一致的原因主要是单体电池的初始差异和电池成组后的结构、使用工况及环境差异。为了缓解电池成组后带来的性能下降和寿命缩减等问题,可以优化电池的制造工艺,减少电池的初始差异;在电池成组前进行筛选,将不一致性较小的电池成组;在组合电池组系统时,充分考虑连接方式和结构对不一致性的影响;在使用过程中,进行合理的电池管理,有效的均衡以及热管理,减少因使用条件不同而造成的不一致。提升电池成组一致性技术中,BMS和热管理技术已较为成熟,SOC估计精度和均衡效果有待进一步提高。
