動(dòng)力鋰電池,已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)占據(jù)了電動(dòng)汽車電源江湖老大的地位。使用壽命長(zhǎng),能量密度高,還極具改進(jìn)潛力。安全性可以改,能量密度可以繼續(xù)上升。在可預(yù)見的時(shí)間里(傳說大約2020年左右)就可以趕上燃油車的續(xù)航能力和性價(jià)比,步入電動(dòng)汽車的第一個(gè)成熟階段。然而鋰電池也有鋰電池的煩惱。

1.為什么鋰電池多數(shù)都是小個(gè)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(zhǎng)相清秀,完全找不到傳統(tǒng)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(shè)計(jì)成大容量。鉛酸電池的能量密度在40Wh/kg左右,而鋰電池,已經(jīng)超過150Wh/kg。能量集中度提高,對(duì)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(fā)熱失控,電池內(nèi)部急劇反應(yīng),短時(shí)間內(nèi),過多的能量無(wú)處釋放,是非常危險(xiǎn)的。尤其在安全技術(shù),管控能力發(fā)展還不夠充分的時(shí)候,每只電池的容量都應(yīng)該克制。

其次,被鋰電池殼體包裹起來的能量,一旦出現(xiàn)意外,消防員、滅火劑無(wú)法觸及、無(wú)能為力,只能在發(fā)生事故時(shí)隔離現(xiàn)場(chǎng),任事故電池自行反應(yīng),能量燃盡為止。

當(dāng)然,出于安全考慮,當(dāng)前的鋰電池已經(jīng)設(shè)計(jì)了多重安全手段。拿圓柱電池為例。

安全閥,當(dāng)電池內(nèi)部反應(yīng)超出正常范圍,溫度上升,并且伴隨生成副反應(yīng)氣體,壓力達(dá)到設(shè)計(jì)值,安全閥自動(dòng)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(xiàn)過流,電阻在達(dá)到某一個(gè)溫度以后,阻值陡增,所在回路電流下降,阻止溫度的進(jìn)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(xiàn)過流風(fēng)險(xiǎn),電路斷開,避免惡性事故的發(fā)生。

2.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(chéng)合作,也能帶著電動(dòng)汽車飛起。這時(shí)候,就需要面對(duì)一個(gè)問題,一致性。

為什么要一致

我們?nèi)粘５慕?jīng)驗(yàn)是,兩節(jié)干電池,正負(fù)極連接起來,手電筒就能發(fā)光,有誰(shuí)管它一致不一致的事情。而鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用,情形卻并非如此簡(jiǎn)單。

鋰電池參數(shù)的不一致主要是指容量、內(nèi)阻、開路電壓的不一致。不一致的電芯串并在一起使用,會(huì)出現(xiàn)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(gè)電池組的能力。

為了防止電池過充過放,電池管理系統(tǒng)的邏輯如此設(shè)置:放電時(shí),當(dāng)最低的單體電壓達(dá)到放電截止電壓時(shí),整個(gè)電池組停止放電;充電時(shí),當(dāng)最高單體電壓觸及充電截止電壓時(shí),停止充電。

拿兩只電池串聯(lián)舉例。一只電池容量C,另外一只容量只有0.9C。串聯(lián)關(guān)系,兩只電池通過同樣大小的電流。

充電時(shí),容量小的電池必然先充滿,達(dá)到充電截止條件,系統(tǒng)不再繼續(xù)充電。放電時(shí),容量小的電池也必然先放光全部可用能量,系統(tǒng)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(gè)電池組的容量總有一部分處于閑置狀態(tài)

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(dá)壽命的重點(diǎn)。一直電芯壽命終結(jié),一組焊接在一起的電芯,也就跟著壽終正寢。

3)內(nèi)阻增大,不同的內(nèi)阻,流過相同的電流,內(nèi)阻大的電芯發(fā)熱量相對(duì)比較多。電池溫度過高,造成劣化速度加快,內(nèi)阻又會(huì)進(jìn)一步升高。內(nèi)阻和溫升,形成一對(duì)負(fù)反饋,使高內(nèi)阻電芯加速劣化。

上面三個(gè)參數(shù),并不完全獨(dú)立,老化程度深的電芯內(nèi)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。

3.如何應(yīng)對(duì)不一致性

電芯性能的不一致,都是在生產(chǎn)過程中形成,在使用過程中加深。同一個(gè)電池組內(nèi)的電芯,弱者恒弱,且加速變?nèi)酢误w電芯之間參數(shù)的離散程度,隨著老化程度的加深而加大。

當(dāng)前,工程師應(yīng)對(duì)單體電芯不一致,主要從三個(gè)方面考慮。單體電池分選,成組后熱管理,出現(xiàn)少量不一致時(shí)電池管理系統(tǒng)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(jīng)過篩選,把參數(shù)相對(duì)集中的電芯放在一個(gè)電池組里,同一個(gè)電池包里。

分選的目的,是把參數(shù)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(tài)分選和動(dòng)態(tài)分選兩大類。

靜態(tài)分選,針對(duì)電芯的開路電壓,內(nèi)阻,容量等特性參數(shù)進(jìn)行篩選,選取目標(biāo)參數(shù),引入統(tǒng)計(jì)算法,設(shè)定篩選標(biāo)準(zhǔn),最后將同一批次的電芯區(qū)分成若干組。

動(dòng)態(tài)篩選,是針對(duì)電芯在充放電過程中表現(xiàn)出來的特性進(jìn)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(duì)比自身的充電和放電曲線之間的關(guān)系。

動(dòng)靜結(jié)合分選,用靜態(tài)篩選做初步分組,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)態(tài)篩選,這樣劃分出來的組別更多,篩選準(zhǔn)確性更高,但成本也會(huì)相應(yīng)上升。

這里就小小體現(xiàn)了一把動(dòng)力鋰電池生產(chǎn)規(guī)模的重要性。大規(guī)模出貨,使得廠家可以進(jìn)行更精細(xì)的分選,得到性能更接近的電池組。如果產(chǎn)量太小,分組過多,一個(gè)批次都無(wú)法裝備一個(gè)電池包,再好的方法也無(wú)法施展了。

2)熱管理

針對(duì)內(nèi)阻不一致電芯,產(chǎn)生熱量不相同問題。熱管理系統(tǒng)的加入,可以調(diào)節(jié)整個(gè)電池組的溫差,使之保持在一個(gè)較小的范圍里。生成熱量較多的電芯,依然溫升偏高,但不會(huì)與其他電芯拉開差距,劣化水平就不會(huì)出現(xiàn)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(dá)控制閾值,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)容量變小。為了解決這個(gè)問題,電池管理系統(tǒng)BMS設(shè)計(jì)了均衡功能。

某一顆電芯率先到達(dá)充電截止電壓,而其余眾電芯電壓明顯滯后,BMS起動(dòng)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(zhuǎn)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(xiàn)在,電芯的不一致性,仍然是行業(yè)內(nèi)研究的重要領(lǐng)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(huì)大打折扣。