动力锂电池,已经稳稳占据了电动汽车电源江湖老大的地位。使用寿命长,能量密度高,还极具改进潜力。安全性可以改,能量密度可以继续上升。在可预见的时间里(传说大约2020年左右)就可以赶上燃油车的续航能力和性价比,步入电动汽车的第一个成熟阶段。然而锂电池也有锂电池的烦恼。
1.为什么锂电池多数都是小个子
我们看到的锂电池,圆柱电池,软包电池、方形电池,一般都长相清秀,完全找不到传统铅酸电池那样的大块头,这是为什么?
能量密度高,锂电池往往不敢设计成大容量。铅酸电池的能量密度在40Wh/kg左右,而锂电池,已经超过150Wh/kg。能量集中度提高,对安全性的要求水涨船高。
首先,单只能量过高的锂电池,遇到意外,引发热失控,电池内部急剧反应,短时间内,过多的能量无处释放,是非常危险的。尤其在安全技术,管控能力发展还不够充分的时候,每只电池的容量都应该克制。
其次,被锂电池壳体包裹起来的能量,一旦出现意外,消防员、灭火剂无法触及、无能为力,只能在发生事故时隔离现场,任事故电池自行反应,能量燃尽为止。
当然,出于安全考虑,当前的锂电池已经设计了多重安全手段。拿圆柱电池为例。
安全阀,当电池内部反应超出正常范围,温度上升,并且伴随生成副反应气体,压力达到设计值,安全阀自动开启,泄掉压力。安全阀打开的一刻,电池完全失效。
热敏电阻,有的电芯配置热敏电阻,一旦出现过流,电阻在达到某一个温度以后,阻值陡增,所在回路电流下降,阻止温度的进一步升高。
熔断器,电芯配备具有过流熔断功能的熔丝,一旦出现过流风险,电路断开,避免恶性事故的发生。
2.锂电池一致性问题
锂电池不能做成一大只,只好把众多小电芯组织起来,大家劲往一处使,精诚合作,也能带着电动汽车飞起。这时候,就需要面对一个问题,一致性。
为什么要一致
我们日常的经验是,两节干电池,正负极连接起来,手电筒就能发光,有谁管它一致不一致的事情。而锂电池的大规模应用,情形却并非如此简单。
锂电池参数的不一致主要是指容量、内阻、开路电压的不一致。不一致的电芯串并在一起使用,会出现如下问题。
1)容量损失,电芯单体组成电池组,容量符合“木桶原理”,最差的那颗电芯的容量决定整个电池组的能力。
为了防止电池过充过放,电池管理系统的逻辑如此设置:放电时,当最低的单体电压达到放电截止电压时,整个电池组停止放电;充电时,当最高单体电压触及充电截止电压时,停止充电。
拿两只电池串联举例。一只电池容量C,另外一只容量只有0.9C。串联关系,两只电池通过同样大小的电流。
充电时,容量小的电池必然先充满,达到充电截止条件,系统不再继续充电。放电时,容量小的电池也必然先放光全部可用能量,系统即刻停止放电。
这样,容量小的电芯始终在满充满放,容量大的电芯却一直使用部分容量。整个电池组的容量总有一部分处于闲置状态
2)寿命损失,类似的,电池组的寿命,由寿命最短的那颗电芯决定。很大可能性,寿命最短的电芯,就是那颗容量小的电芯。小容量电芯,每次都是满充满放,出力过猛,很大可能最先到达寿命的重点。一直电芯寿命终结,一组焊接在一起的电芯,也就跟着寿终正寝。
3)内阻增大,不同的内阻,流过相同的电流,内阻大的电芯发热量相对比较多。电池温度过高,造成劣化速度加快,内阻又会进一步升高。内阻和温升,形成一对负反馈,使高内阻电芯加速劣化。
上面三个参数,并不完全独立,老化程度深的电芯内阻比较大,容量衰减也更多。分开说明,只是想表述清楚它们各自的影响方向。
3.如何应对不一致性
电芯性能的不一致,都是在生产过程中形成,在使用过程中加深。同一个电池组内的电芯,弱者恒弱,且加速变弱。单体电芯之间参数的离散程度,随着老化程度的加深而加大。
当前,工程师应对单体电芯不一致,主要从三个方面考虑。单体电池分选,成组后热管理,出现少量不一致时电池管理系统提供均衡功能。
1)分选
不同批次的电芯,理论上不放在一起使用。即使相同批次的电芯,也需要经过筛选,把参数相对集中的电芯放在一个电池组里,同一个电池包里。
分选的目的,是把参数相近的电芯挑选出来。分选方法,被研究了很多年,主要分静态分选和动态分选两大类。
静态分选,针对电芯的开路电压,内阻,容量等特性参数进行筛选,选取目标参数,引入统计算法,设定筛选标准,最后将同一批次的电芯区分成若干组。
动态筛选,是针对电芯在充放电过程中表现出来的特性进行筛选,有的选择恒流恒压充电过程,有的选取脉冲冲击充放电过程,有的对比自身的充电和放电曲线之间的关系。
动静结合分选,用静态筛选做初步分组,在此基础上进行动态筛选,这样划分出来的组别更多,筛选准确性更高,但成本也会相应上升。
这里就小小体现了一把动力锂电池生产规模的重要性。大规模出货,使得厂家可以进行更精细的分选,得到性能更接近的电池组。如果产量太小,分组过多,一个批次都无法装备一个电池包,再好的方法也无法施展了。
2)热管理
针对内阻不一致电芯,产生热量不相同问题。热管理系统的加入,可以调节整个电池组的温差,使之保持在一个较小的范围里。生成热量较多的电芯,依然温升偏高,但不会与其他电芯拉开差距,劣化水平就不会出现明显的差距。
3)均衡
电芯单体的不一致,某些电芯端电压,总是超前于其他电芯,最先到达控制阈值,导致整个系统容量变小。为了解决这个问题,电池管理系统BMS设计了均衡功能。
某一颗电芯率先到达充电截止电压,而其余众电芯电压明显滞后,BMS起动充电均衡功能,或者接入电阻,放掉高电压电芯的部分电量,或者把能量转移走,放到低电压电芯上去。这样,充电截止条件被解除,充电过程重新开始,电池包充入更多电量。
直到现在,电芯的不一致性,仍然是行业内研究的重要领域。电芯能量密度再高,遇到不一致性来搅局,电池包能力也会大打折扣。
