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鋰電池不一致性的危害及如何應對
時間: 2018-11-04 11:00
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電芯性能的不一致，都是在生產過程中形成，在使用過程中加深。同一個電池組內的電芯，弱者恒弱，且加速變弱。單體電芯之間參數的離散程度，隨著老化程度的加深而加大。 動力鋰
電芯性能的不一致，都是在生產過程中形成，在使用過程中加深。同一個電池組內的電芯，弱者恒弱，且加速變弱。單體電芯之間參數的離散程度，隨著老化程度的加深而加大。
動力鋰電池，已經穩穩占據了電動汽車電源江湖老大的地位。使用壽命長，能量密度高，還極具改進潛力。安全性可以改，能量密度可以繼續上升。在可預見的時間里（傳說大約2020年左右）就可以趕上燃油車的續航能力和性價比，步入電動汽車的第一個成熟階段。然而鋰電池也有鋰電池的煩惱。
為什么鋰電池多數都是小個子
我們看到的鋰電池，圓柱電池，軟包電池、方形電池，一般都長相清秀，完全找不到傳統鉛酸電池那樣的大塊頭，這是為什么？
能量密度高，鋰電池往往不敢設計成大容量。鉛酸電池的能量密度在40Wh/kg左右，而鋰電池，已經超過150Wh/kg。能量集中度提高，對安全性的要求水漲船高。
首先，單只能量過高的鋰電池，遇到意外，引發熱失控，電池內部急劇反應，短時間內，過多的能量無處釋放，是非常危險的。尤其在安全技術，管控能力發展還不夠充分的時候，每只電池的容量都應該克制。
其次，被鋰電池殼體包裹起來的能量，一旦出現意外，消防員、滅火劑無法觸及、無能為力，只能在發生事故時隔離現場，任事故電池自行反應，能量燃盡為止。
當然，出于安全考慮，當前的鋰電池已經設計了多重安全手段。拿圓柱電池為例。
安全閥，當電池內部反應超出正常范圍，溫度上升，并且伴隨生成副反應氣體，壓力達到設計值，安全閥自動開啟，泄掉壓力。安全閥打開的一刻，電池完全失效。
熱敏電阻，有的電芯配置熱敏電阻，一旦出現過流，電阻在達到某一個溫度以后，阻值陡增，所在回路電流下降，阻止溫度的進一步升高。
熔斷器，電芯配備具有過流熔斷功能的熔絲，一旦出現過流風險，電路斷開，避免惡性事故的發生。
鋰電池一致性問題
鋰電池不能做成一大只，只好把眾多小電芯組織起來，大家勁往一處使，精誠合作，也能帶著電動汽車飛起。這時候，就需要面對一個問題，一致性。
我們日常的經驗是，兩節干電池，正負極連接起來，手電筒就能發光，有誰管它一致不一致的事情。而鋰電池的大規模應用，情形卻并非如此簡單。
鋰電池參數的不一致主要是指容量、內阻、開路電壓的不一致。不一致的電芯串并在一起使用，會出現如下問題。
1） 容量損失，電芯單體組成電池組，容量符合“木桶原理”，最差的那顆電芯的容量決定整個電池組的能力。
為了防止電池過充過放，電池管理系統的邏輯如此設置：放電時，當最低的單體電壓達到放電截止電壓時，整個電池組停止放電；充電時，當最高單體電壓觸及充電截止電壓時，停止充電。
拿兩只電池串聯舉例。一只電池容量1C，另外一只容量只有0.9C。串聯關系，兩只電池通過同樣大小的電流。
充電時，容量小的電池必然先充滿，達到充電截止條件，系統不再繼續充電。放電時，容量小的電池也必然先放光全部可用能量，系統即刻停止放電。
這樣，容量小的電芯始終在滿充滿放，容量大的電芯卻一直使用部分容量。整個電池組的容量總有一部分處于閑置狀態
2） 壽命損失，類似的，電池組的壽命，由壽命最短的那顆電芯決定。很大可能性，壽命最短的電芯，就是那顆容量小的電芯。小容量電芯，每次都是滿充滿放，出力過猛，很大可能最先到達壽命的重點。一直電芯壽命終結，一組焊接在一起的電芯，也就跟著壽終正寢。
3） 內阻增大，不同的內阻，流過相同的電流，內阻大的電芯發熱量相對比較多。電池溫度過高，造成劣化速度加快，內阻又會進一步升高。內阻和溫升，形成一對負反饋，使高內阻電芯加速劣化。
上面三個參數，并不完全獨立，老化程度深的電芯內阻比較大，容量衰減也更多。分開說明，只是想表述清楚它們各自的影響方向。
如何應對不一致性
電芯性能的不一致，都是在生產過程中形成，在使用過程中加深。同一個電池組內的電芯，弱者恒弱，且加速變弱。單體電芯之間參數的離散程度，隨著老化程度的加深而加大。
當前，工程師應對單體電芯不一致，主要從三個方面考慮。單體電池分選，成組后熱管理，出現少量不一致時電池管理系統提供均衡功能。
1）分選
不同批次的電芯，理論上不放在一起使用。即使相同批次的電芯，也需要經過篩選，把參數相對集中的電芯放在一個電池組里，同一個電池包里。
分選的目的，是把參數相近的電芯挑選出來。分選方法，被研究了很多年，主要分靜態分選和動態分選兩大類。
靜態分選，針對電芯的開路電壓，內阻，容量等特性參數進行篩選，選取目標參數，引入統計算法，設定篩選標準，最后將同一批次的電芯區分成若干組。
動態篩選，是針對電芯在充放電過程中表現出來的特性進行篩選，有的選擇恒流恒壓充電過程，有的選取脈沖沖擊充放電過程，有的對比自身的充電和放電曲線之間的關系。
動靜結合分選，用靜態篩選做初步分組，在此基礎上進行動態篩選，這樣劃分出來的組別更多，篩選準確性更高，但成本也會相應上升。
這里就小小體現了一把動力鋰電池生產規模的重要性。大規模出貨，使得廠家可以進行更精細的分選，得到性能更接近的電池組。如果產量太小，分組過多，一個批次都無法裝備一個電池包，再好的方法也無法施展了。
2）熱管理
針對內阻不一致電芯，產生熱量不相同問題。熱管理系統的加入，可以調節整個電池組的溫差，使之保持在一個較小的范圍里。生成熱量較多的電芯，依然溫升偏高，但不會與其他電芯拉開差距，劣化水平就不會出現明顯的差距。
3）均衡
電芯單體的不一致，某些電芯端電壓，總是超前于其他電芯，最先到達控制閾值，導致整個系統容量變小。為了解決這個問題，電池管理系統BMS設計了均衡功能。
某一顆電芯率先到達充電截止電壓，而其余眾電芯電壓明顯滯后，BMS起動充電均衡功能，或者接入電阻，放掉高電壓電芯的部分電量，或者把能量轉移走，放到低電壓電芯上去。這樣，充電截止條件被解除，充電過程重新開始，電池包充入更多電量。
直到現在，電芯的不一致性，仍然是行業內研究的重要領域。電芯能量密度再高，遇到不一致性來攪局，電池包能力也會大打折扣。
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