动力锂电池如何分类?– 太璞科技

单个电池之间的不一致通常会导致电池组在循环过程中容量快速衰减和寿命缩短等问题。选择性能尽可能一致的电池进行分组,对于锂离子电池在电动汽车中的广泛应用具有重要意义。本文分析了不一致的表现和原因......

动力锂电池如何分类?

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单个电池之间的不一致通常会导致电池组在循环过程中容量快速衰减和寿命缩短等问题。选择性能尽可能一致的电池进行分组,对于锂离子电池在电动汽车中的广泛应用具有重要意义。

本文分析了锂离子电池不一致的表现和原因,总结了提高其一致性的方法,并概述了现有的电池分组方案。

  1. 不一致分析

1.1 不一致的定义

锂离子电池组不一致是指相同规格型号的单个电池在组装成电池组时,电压、容量、内阻、寿命、温度影响、自放电率等参数的差异。

制造后,单个电池本身会有一些初始性能变化。随着电池的使用,这些性能差异会随着时间的推移而累积。此外,每个电池的电池组内的使用环境并不相同,这进一步放大了它们之间的不一致。这种渐进的不一致会加速电池性能的下降,并最终导致电池组过早失效。

1.2 不一致的表现

锂离子电池的不一致主要表现在两个方面:电池单元之间性能参数(如容量、内阻和自放电率)的差异和荷电状态 (SOC) 的差异。

戴海峰等人的研究发现,电芯间容量差异的分布近似于韦布尔分布,而内阻的分散比容量的分散更显著。同一批次电池的内阻一般服从正态分布,自放电率也呈现近似正态分布。SOC 表示电池的充电状态,是剩余容量与额定容量的比率。由于电池的不一致,容量衰减速度不同,导致电池之间最大可用容量存在差异。与容量较大的电池相比,容量较小的电池的 SOC 变化更快,在充电和放电过程中更快地达到截止电压。

1.3 不一致的原因

锂离子电池出现不一致的原因有很多,主要是由制造和使用过程引起的。制造过程的每个阶段,例如材料混合过程中浆料的均匀性以及涂层过程中涂层密度和表面张力的控制,都可能导致单个电池单元之间的性能差异。

Luo Yu 等人进行的研究考察了生产过程对电池一致性的影响,特别关注水性粘合剂系统在锂离子电池制造中的影响。在电池的使用过程中,Xie Jiao 等人认为,连接方法、结构部件/器件、操作条件和环境因素都会对电池组的一致性产生影响。每个连接点的能耗不一致,每个部件或结构件的性能和老化率也不一致,导致对电池的影响不同。此外,由于电池组中的每个电池单元占据不同的位置并经历不同的温度,因此性能下降也不同,进一步放大了电池单元之间的不一致。

2. 提高电池一致性的方法

2.1 生产过程控制

生产过程的控制主要涉及两个方面:原材料和制造技术。在原材料方面,努力从同一批次中选择材料,以确保粒度和性能的一致性。在生产过程中,严格控制,包括确保浆料的均匀混合和避免长时间储存,控制涂布机的速度以确保涂层的厚度和均匀性,对电极片进行目视检查和重量分选,控制注射量,以及管理形成、容量分选和储存条件。

通过对锂离子电池制备技术的研究,罗宇确定了对电池一致性有重大影响的关键过程,包括材料混合、涂层、压延、卷绕/堆叠、注入和形成。已经对这些关键工艺参数与电池性能之间的关系进行了深入的研究和分析。

2.2 控制分组过程

电池分组过程的控制主要涉及对电池进行分类。电池组使用相同规格型号的电池,并测量电池的电压、容量、内阻和其他参数,以确保其初始性能的一致性。

根据徐海涛等人的研究,在电池分组过程中,单个电池之间的电压差异是充放电过程中影响电池组一致性的关键因素,而单个电池之间的内阻差异则会导致它们在充放电过程中的电压发生显著变化。王林霞等分析了主要影响因素 DCR 对并联组合锂离子电池组的影响,以及主要影响因素容量对串联组合锂离子电池组的影响,为组合电池组提供了必要的指导。Chen Ping 等研究了放电倍率对电池分组一致性的影响,发现随着放电倍率的增加,电池的不一致被放大,达到消除缺陷电池的效果。

2.3 使用和维护过程的控制

实时监控电池至关重要。在电池分组期间进行一致性筛选可确保电池组使用的初始一致性。在使用过程中实时监控电池可以观察可能出现的一致性问题。但是,当检测到不一致时,监控电路可能会断开充电和放电电路,从而导致性能下降。因此,必须在监控和性能之间取得平衡。此外,实时监控可以及时调整或更换具有极端参数的电池,确保电池组中的不一致不会随着时间的推移而放大。

实施平衡管理系统至关重要。可以通过适当的平衡策略和电路来实现电池的智能管理。常见的平衡策略包括基于电压、基于电荷状态 (SOC) 和基于容量的策略。平衡电路根据能耗方法可分为被动平衡电路和主动平衡电路。主动平衡可实现电池之间的高效能量流动,一直是国内外研究的重点。主动平衡的常见方法包括旁路、开关电容、开关电感和 DC/DC 转换。

电池的热管理很重要。除了将电池组的工作温度保持在最佳范围内外,还必须确保电池之间的温度条件一致,以确保性能的一致性。采用适当的控制策略至关重要。在允许的输出功率范围内,最小化放电深度并避免过度充电可以延长电池组的循环寿命。加强电池组的维护包括定期进行小电流维护充电和确保清洁度。

3. 动力锂离子电池分组方法

3.1 电压分组法

电压分组方法可分为静态电压分组和动态电压分组。静态电压分组,也称为开路分组,是在无负载的情况下执行的,并且只考虑电池本身。它测量所选单体电池在充满电状态下存放数天后的自放电率,以及电池在充满电状态下不同存放期间的开路电压。这种方法操作起来最简单,但不是很准确。动态电压分组检查负载下的电压,但它没有考虑负载变化等因素,因此也不是很准确。

3.2 静态容量分组方法

电池分组的一种方法是在指定条件下对电池进行充放电,根据放电电流和放电时间计算其容量,并根据电池容量对电池进行分组。这种方法简单实用,但只能反映电池在特定条件下具有相同的容量,并不能完全代表电池的完整工作特性。因此,它有一定的局限性。

3.3 内阻分组法

主要考虑的是单个电池的内阻。这种方法可以进行快速测量。然而,由于电池的内阻在放电过程中会发生变化,因此准确确定内阻存在一定的困难。

3.4 多参数分组方式

考虑容量、内阻、电压、自放电率等多种外部条件,在对电池进行综合评估时,可以选择一致性更好的电池组。但是,此方法的前提条件是,基于各个参数的准确排序需要很长时间才能完成。

3.5 动态特性分组法

动态特性分组方法涉及使用电池的充电和放电特性曲线对其进行排序和分组。充电和放电曲线可以反映电池的大部分特性。通过使用动态特性分组方法,可以保证电池各项性能指标的一致性。这种方法涉及大量数据,通常使用计算机程序实现。但是,这种方法会导致电池的分组利用率较低,不利于降低电池组的成本。实施这种方法的另一个挑战是确定标准曲线或参考曲线。

4.结论

(1) 电池不一致的原因主要在于电池的制造和使用方面。

(2) 提高电池一致性的措施可分为三个主要方面:

从原材料和制造技术开始严格控制生产过程。

采用更科学的分选方法,尽可能选择初期性能一致的电池进行分组。

电池在使用过程中的实时监控,实施平衡管理系统,采用合理的控制策略,对电池进行热管理,加强电池组的维护。

(3) 在电池分组方面,由于考虑的因素太少,单参数分组方法的实用价值有限。多参数分组方法和动态特性分组方法比较全面。此外,电化学阻抗谱等方法也取得了一定的进展。

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